Java HashMap的工作原理

面试的时候经常会遇见诸如：”java中的HashMap是怎么工作的”、”HashMap的get和put内部的工作原理”这样的问题。

本文将用一个简单的例子来解释下HashMap内部的工作原理。

首先我们从一个例子开始，而不仅仅是从理论上，这样，有助于更好地理解，然后，我们来看下get和put到底是怎样工作的。

我们来看个非常简单的例子。

有一个”国家”(Country)类，我们将要用Country对象作为key，它的首都的名字（String类型）作为value。

下面的例子有助于我们理解key-value对在HashMap中是如何存储的。

1. Country.java

public class Country {
    String name;
    long population;
 
    public Country(String name, long population) {
        super();
        this.name = name;
        this.population = population;
    }
 
    public String getName() {
        return name;
    }
 
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
 
    public long getPopulation() {
        return population;
    }
 
    public void setPopulation(long population) {
        this.population = population;
    }
 
    // If length of name in country object is even then return 31(any random
    // number) and if odd then return 95(any random number).
    // This is not a good practice to generate hashcode as below method but I am
    // doing so to give better and easy understanding of hashmap.
    @Override
    public int hashCode() {
        if (this.name.length() % 2 == 0)
            return 31;
        else
            return 95;
    }
 
    @Override
    public boolean equals(Object obj) {
        Country other = (Country) obj;
        if (name.equalsIgnoreCase((other.name)))
            return true;
        return false;
    }
 
}

2. HashMapStructure.java(main class)

import java.util.HashMap;
import java.util.Iterator;
 
public class HashMapStructure {
	/**
	 * @author Arpit Mandliya
	 */
	public static void main(String[] args) {
 
		Country india = new Country("India", 1000);
		Country japan = new Country("Japan", 10000);
		Country france = new Country("France", 2000);
		Country russia = new Country("Russia", 20000);
 
		HashMap<Country, String> countryCapitalMap = new HashMap<Country, String>();
		countryCapitalMap.put(india, "Delhi");
		countryCapitalMap.put(japan, "Tokyo");
		countryCapitalMap.put(france, "Paris");
		countryCapitalMap.put(russia, "Moscow");
 
		Iterator<Country> countryCapitalIter = countryCapitalMap.keySet().iterator();// put debug point at this line
		while (countryCapitalIter.hasNext()) {
			Country countryObj = countryCapitalIter.next();
			String capital = countryCapitalMap.get(countryObj);
			System.out.println(countryObj.getName() + "----" + capital);
		}
	}
 
}

现在，在第21行设置一个断点，在项目上右击->调试运行(debug as)->java应用(java application)。程序会停在23行，然后在countryCapitalMap上右击，选择“查看”（watch）。将会看到如下的结构：

从上图可以观察到以下几点：

1.有一个叫做table大小是16的Entry数组。

2.这个table数组存储了Entry类的对象。HashMap类有一个叫做Entry的内部类。这个Entry类包含了key-value作为实例变量。

我们来看下Entry类的结构。Entry类的结构：

static class Entry implements Map.Entry
{
        final K key;
        V value;
        Entry next;
        final int hash;
        ...//More code goes here
}

每当往hashmap里面存放key-value对的时候，都会为它们实例化一个Entry对象，这个Entry对象就会存储在前面提到的Entry数组table中。

现在你一定很想知道，上面创建的Entry对象将会存放在具体哪个位置（在table中的精确位置）。

答案就是，根据key的hashcode()方法计算出来的hash值（来决定）。hash值用来计算key在Entry数组的索引。

现在，如果你看下上图中数组的索引10，它有一个叫做HashMap$Entry的Entry对象。

我们往hashmap放了4个key-value对，但是看上去好像只有2个元素！！！这是因为，如果两个元素有相同的hashcode，它们会被放在同一个索引上。问题出现了，该怎么放呢？原来它是以链表(LinkedList)的形式来存储的(逻辑上)。

上面的country对象的key-value的hash值是如何计算出来的。

Japan的Hash值是95，它的长度是奇数。

India的Hash值是95，它的长度是奇数。

Russia的Hash值是31，它的长度是偶数。

France的Hash值是31，它的长度是偶数。

下图会清晰的从概念上解释下链表。

链表：hash、key、next(hash、key、next(...)、value)、value

所以，现在假如你已经很好地了解了hashmap的结构，让我们看下put和get方法。

Put :

让我们看下put方法的实现：

/**
  * Associates the specified value with the specified key in this map. If the
  * map previously contained a mapping for the key, the old value is
  * replaced.
  *
  * @param key
  *            key with which the specified value is to be associated
  * @param value
  *            value to be associated with the specified key
  * @return the previous value associated with <tt>key</tt>, or <tt>null</tt>
  *         if there was no mapping for <tt>key</tt>. (A <tt>null</tt> return
  *         can also indicate that the map previously associated
  *         <tt>null</tt> with <tt>key</tt>.)
  */
public V put(K key, V value) {
	if (key == null)
		return putForNullKey(value);
	int hash = hash(key.hashCode());
	int i = indexFor(hash, table.length);
	for (Entry<k, V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
		Object k;
		if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
			V oldValue = e.value;
			e.value = value;
			e.recordAccess(this);
			return oldValue;
		}
	}
 
	modCount++;
	addEntry(hash, key, value, i);
	return null;
}

现在我们一步一步来看下上面的代码。

1.对key做null检查。如果key是null，会被存储到table[0]，因为null的hash值总是0。

2.key的hashcode()方法会被调用，然后计算hash值。hash值用来找到存储Entry对象的数组的索引。有时候hash函数可能写的很不好，所以JDK的设计者添加了另一个叫做hash()的方法，它接收刚才计算的hash值作为参数。

3.indexFor(hash,table.length)用来计算在table数组中存储Entry对象的精确的索引。

4.在我们的例子中已经看到，如果两个key有相同的hash值(也叫冲突)，他们会以链表的形式来存储。所以，这里我们就迭代链表。

• 如果在刚才计算出来的索引位置没有元素，直接把Entry对象放在那个索引上。
• 如果索引上有元素，然后会进行迭代，一直到Entry->next是null。当前的Entry对象变成链表的下一个节点。
• 如果我们再次放入同样的key会怎样呢？逻辑上，它应该替换老的value。事实上，它确实是这么做的。在迭代的过程中，会调用equals()方法来检查key的相等性(key.equals(k))，如果这个方法返回true，它就会用当前Entry的value来替换之前的value。

Get:

现在我们来看下get方法的实现：

/**
 * Returns the value to which the specified key is mapped, or {@code null}
 * if this map contains no mapping for the key.
 *
 * <p>
 * More formally, if this map contains a mapping from a key {@code k} to a
 * value {@code v} such that {@code (key==null ? k==null :
 * key.equals(k))}, then this method returns {@code v}; otherwise it returns
 * {@code null}. (There can be at most one such mapping.)
 *
 * </p>
 * <p>
 * A return value of {@code null} does not <i>necessarily</i> indicate that
 * the map contains no mapping for the key; it's also possible that the map
 * explicitly maps the key to {@code null}. The {@link #containsKey
 * containsKey} operation may be used to distinguish these two cases.
 *
 * @see #put(Object, Object)
 */
public V get(Object key) {
	if (key == null)
		return getForNullKey();
	int hash = hash(key.hashCode());
	for (Entry<k, V> e = table[indexFor(hash, table.length)]; e != null; e = e.next) {
		Object k;
		if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))
			return e.value;
	}
	return null;
}

当你理解了hashmap的put的工作原理，理解get的工作原理就非常简单了。

当你传递一个key从hashmap总获取value的时候：

1.对key进行null检查。如果key是null，table[0]这个位置的元素将被返回。

2.key的hashcode()方法被调用，然后计算hash值。

3.indexFor(hash,table.length)用来计算要获取的Entry对象在table数组中的精确的位置，使用刚才计算的hash值。

4.在获取了table数组的索引之后，会迭代链表，调用equals()方法检查key的相等性，如果equals()方法返回true，get方法返回Entry对象的value，否则，返回null。

要牢记以下关键点：

• HashMap有一个叫做Entry的内部类，它用来存储key-value对。
• 上面的Entry对象是存储在一个叫做table的Entry数组中。
• table的索引在逻辑上叫做“桶”(bucket)，它存储了链表的第一个元素。
• key的hashcode()方法用来找到Entry对象所在的桶。
• 如果两个key有相同的hash值，他们会被放在table数组的同一个桶里面。
• key的equals()方法用来确保key的唯一性。
• value对象的equals()和hashcode()方法根本一点用也没有。

原文链接： javacodegeeks    翻译： ImportNew.com - miracle1919
译文链接： http://www.importnew.com/10620.html