Java集合框架：HashMap

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Java集合框架概述

Java集合框架无论是在工作、学习、面试中都会经常涉及到，相信各位也并不陌生，其强大也不用多说，博主最近翻阅java集合框架的源码以及搜索一些相关资料整理出Java集合框架的系列。一方面是做一个总结，方便以后查阅，另一方面希望各位小伙伴能够提出不足之处，我会及时更新修改。

博主从网上抠了一张图，觉得画得还是比较形象的，给大家参考一下。

上述类图中，实线边框的是实现类，比如ArrayList，LinkedList，HashMap等，折线边框的是抽象类，比如AbstractCollection，AbstractList，AbstractMap等，而点线边框的是接口，比如Collection，Iterator，List等。

发现一个特点，上述所有的集合类，都实现了Iterator接口，这是一个用于遍历集合中元素的接口，主要包含hashNext(), next(), remove()三种方法。它的一个子接口LinkedIterator在它的基础上又添加了三种方法，分别是add(),previous(),hasPrevious()。也就是说如果是先Iterator接口，那么在遍历集合中元素的时候，只能往后遍历，被遍历后的元素不会在遍历到，通常无序集合实现的都是这个接口，比如HashSet，HashMap；而那些元素有序的集合，实现的一般都是LinkedIterator接口，实现这个接口的集合可以双向遍历，既可以通过next()访问下一个元素，又可以通过previous()访问前一个元素，比如ArrayList。

本篇首先对HashMap进行详解，后续内容慢慢跟进。

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HashMap定义

如无特殊说明，本文以jdk7为准进行说明。

package java.util;
import java.io.*;
public class HashMap<K,V>
    extends AbstractMap<K,V>
    implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable{
}

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HashMap概述

工作原理：通过hash的方法，通过put和get存储和获取对象。存储对象时，我们将K/V传给put方法时，它调用hashCode计算hash从而得到bucket位置，进一步存储，HashMap会根据当前bucket的占用情况自动调整容量(超过Load Facotr则resize为原来的2倍)。获取对象时，我们将K传给get，它调用hashCode计算hash从而得到bucket位置，并进一步调用equals()方法确定键值对。如果发生碰撞的时候，Hashmap通过链表将产生碰撞冲突的元素组织起来，在Java 8中，如果一个bucket中碰撞冲突的元素超过某个限制(默认是8)，则使用红黑树来替换链表，从而提高速度。

以Entry[]数组实现的哈希桶数组，用Key的哈希值取模桶数组的大小可得到数组下标。

static final Entry<?,?>[] EMPTY_TABLE = {};
transient Entry<K,V>[] table = (Entry<K,V>[]) EMPTY_TABLE;

基于Map接口实现、允许null键/值、非同步、不保证有序(比如插入的顺序)、也不保证序不随时间变化。HashMap存储着Entry(hash, key, value, next)对象。

当keynull时，存在table[0]即第一个桶中，hash值为0。HashMap对keynull的键值对会做单独处理，譬如：

    private V getForNullKey()；
    private V putForNullKey(V value)；

这两个方法。

在HashMap中有两个很重要的参数，容量(Capacity)和负载因子(Load factor)。

Capacity的默认值为16：

static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;

负载因子的默认值为0.75：

static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

简单的说，Capacity就是bucket的大小，Load factor就是bucket填满程度的最大比例。如果对迭代性能要求很高的话不要把Capacity设置过大，也不要把load factor设置过小。当bucket中的entries的数目大于capacity*load factor时就需要调整bucket的大小为当前的2倍。

可以设置初始容量Capacity，但是在HashMap处理过程中，是会把Capacity扩充成2的倍数，怎么理解？比如你设置的初始值17，但是17不是2的整数倍，会扩容成32，再比如你初始设置的是15，会扩容成16，具体的实现在下面：

private static int roundUpToPowerOf2(int number) {
        // assert number >= 0 : "number must be non-negative";
        return number >= MAXIMUM_CAPACITY
                ? MAXIMUM_CAPACITY
                : (number > 1) ? Integer.highestOneBit((number - 1) << 1) : 1;
    }

HashMap中有一个成员变量modCount，这个用来实现“fast-fail”机制（也就是快速失败）。所谓快速失败就是在并发集合中，其进行迭代操作时，若有其他线程对其结构性的修改，这是迭代器会立马感知到，并且立刻抛出ConcurrentModificationException异常，而不是等待迭代完成之后才告诉你已经出错。

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HashMap的遍历

举个例子来表述下Map的遍历，具体的可以参考《Java中如何遍历Map对象》

Map<String,Integer> map = new HashMap<>();
        map.put("s1", 1);
        map.put("s2", 2);
        map.put("s3", 3);
        map.put("s4", 4);
        map.put("s5", 5);
        map.put(null, 9);
        map.put("s6", 6);
        map.put("s7", 7);
        map.put("s8", 8);
        for(Map.Entry<String,Integer> entry:map.entrySet())
        {
            System.out.println(entry.getKey()+":"+entry.getValue());
        }

输出结果：

null:9
s2:2
s1:1
s7:7
s8:8
s5:5
s6:6
s3:3
s4:4

存储结构如图（ppt画的图，比较简陋~）：

put函数大致的思路为：

!. 先判断table(存放bullet的数组，初始类定义：transient Entry<K,V>[] table = (Entry<K,V>[]) EMPTY_TABLE;)是否为空，如果为空则扩充table，其中包括确保table的大小为2的整数倍。

1. 如果key值为null，则特殊处理，调用putForNullKey(V value)，hash值为0，存入table中，返回。

2. 如果key值不为null，则计算key的hash值；

3. 然后计算key在table中的索引index;

4. 遍历table[index]的链表，如果发现链表中有bullet中的键的hash值与key相等，并且调用equals()方法也返回true，则替换旧值（oldValue），保证key的唯一性；

5. 如果没有，在插入之前先判断table中阈值的大小，如果table中的bullet个数size超过阈值（threshold）则扩容（resize）两倍；注意扩容的顺序，扩容之前old1->old2->old3，扩容之后old3->old2->old1，扩展之前和扩容之后的table的index不一定相同，但是对于原bullet中的链表中的数据在扩容之后肯定还在一个链表中，因为hash值是一样的。

6. 插入新的bullet。注意插入的顺序，原先table[index]的链表比如 old1->old2->old3，插入新值之后为new1->old1->old2->old3.

    public V put(K key, V value) {
        if (table == EMPTY_TABLE) {
            inflateTable(threshold);
        }
        if (key == null)
            return putForNullKey(value);
        int hash = hash(key);
        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;
    }
    void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
        if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
            resize(2 * table.length);
            hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
            bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
        }

        createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
    }

注：在jdk8中，新增默认为8的閥值（TREEIFY_THRESHOLD），当一个桶里的Entry超过閥值，就不以单向链表而以红黑树来存放以加快Key的查找速度。

get函数的大致思路为：

1. 判断key值是否为null，如果是则特殊处理（在table[0]的链表中寻找）

2. 否则计算hash值，进而获得table中的index值

3. 在table[index]的链表中寻找，根据hash值和equals()方法获得相应的value。

public V get(Object key) {
        if (key == null)
            return getForNullKey();
        Entry<K,V> entry = getEntry(key);

        return null == entry ? null : entry.getValue();
    }
    final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
        if (size == 0) {
            return null;
        }

        int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
        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 != null && key.equals(k))))
                return e;
        }
        return null;
    }

hash和indexFor方法:

final int hash(Object k) {
        int h = hashSeed;
        if (0 != h && k instanceof String) {
            return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);
        }

        h ^= k.hashCode();
        h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
        return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
    }
    public native int hashCode();
    static int indexFor(int h, int length) {
        // assert Integer.bitCount(length) == 1 : "length must be a non-zero power of 2";
        return h & (length-1);
    }

看懂没？还是实地检验下比较形象~

譬如key==”key”,那么key的hashCode为（十进制数为106079）：

0000 0000 0000 0001 1001 1110 0101 1111

执行h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);的时候

h>>>20:

0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000

h>>>12:

0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001 1001

h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12):

0000 0000 0000 0001 1001 1110 0100 0110

执行h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4)的时候

h >>> 7：

0000 0000 0000 0000 0000 0011 0011 1100

h>>>4:

0000 0000 0000 0000 0001 1001 1110 0100

h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4):

0000 0000 0000 0001 1000 0100 1001 1110（十进制表示为99486）

假设Capacity是默认16，那么

h&(length-1):

0000 0000 0000 0001 1000 0100 1001 1110 &

0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1111 =

0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1110 = 14

我们可以通过eclipse的debug工作中的Variables查看相关细节：

可以看到key=”key”果然在table[14]当中。

h & (length-1)这种取模用位运算的方式比较快，这个需要数组的大小永远是2的N次方来保证其有效性。

jdk8中hash函数的实现：(key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);

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使用自定义的对象作为键

可以使用任何对象作为键，只要它遵守了equals()和hashCode()方法的定义规则，并且当对象插入到Map中之后将不会再改变了。如果这个自定义对象时不可变的，那么它已经满足了作为键的条件，因为当它创建之后就已经不能改变了。

如下：

package collections;

public class StringOther
{
    private String name;

    public StringOther(String name)
    {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public int hashCode()
    {
        return name.hashCode();
    }

    @Override
    public boolean equals(Object obj)
    {
        if(obj == this)
            return true;
        if(!(obj instanceof StringOther))
            return false;
        StringOther so = (StringOther)obj;
        return so.getName().equals(name);
    }

    public String getName()
    {
        return this.name;
    }

    @Override
    public String toString()
    {
        return "["+this.name+":"+this.hashCode()+"]";
    }
}

测试代码：

        Map<StringOther,String> maps = new HashMap<>(16);
        StringOther so1 = new StringOther("so1");
        StringOther so2 = new StringOther("so2");
        maps.put(so1,"1");
        maps.put(so2,"2");

        System.out.println(maps);

输出结果：{[so1:114005]=1, [so2:114006]=2}

注意重写equals方法的时候一定要写成:

@Override public boolean equals(Object obj)

的形式，注意注解Override和参数类型Object obj，如写成@Override public boolean equals(StringOther obj)这样会出现意想不到的错误，如果对其不解，可在下方留言。

并且在每个覆盖了equals方法的类中也必须覆盖hashCode方法，如果不这样做的话，就会违反Object.hashCode的通用约定，从而导致该类无法结合所有基于散列的集合一起正常运转，这样的集合包括HashMap, HashSet和Hashtable.

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序列化

细心的朋友可能注意到HashMap实现了Serializable接口，但是对table的定义（transient Entry<K,V>[] table = (Entry<K,V>[]) EMPTY_TABLE;）却是transient的。然后又自己实现了writeObject()和readObject()两个方法。

假设我们已经知道的事实：声明为transient的变量不再是对象持久化的一部分。如果不清楚java序列化相关细节，可以参考《JAVA序列化》。

那么这是为什么呢？原因有两点：

1. HashMap的put与get基于hashCode的实现，而hashCode是native方法，对每一个不同的java环境来说，同一个key所计算的hashCode是不相同的，所以反序列化后table的index会发生变化，无法还原

2. HashMap默认size到达阈值threshold之后进行扩容，很明显HashMap不可能保证每一个bullet都有数据，很多都为null，如果对这部分数据进行序列化则造成不必要的资源浪费。

由于Java自身的序列化有明显的缺点：占用空间大以及低效，博主建议采用其他的方法进行序列化，譬如json或者protobuff等，详细可以参考《浅析若干Java序列化工具》

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与Hashtable的区别

由于Hashtable逐渐退出历史舞台，故不会另起一篇进行重点解析，只在这里与HashMap区别一下。

HashMap和Hashtable都实现了Map接口，但决定用哪一个之前先要弄清楚它们之间的分别。

1. HashMap几乎可以等价于Hashtable，除了HashMap是非synchronized的，并可以接受null(HashMap可以接受为null的键值(key)和值(value)，而Hashtable的key和value都不能为null，否则会报NullPointException)。

2. HashMap是非synchronized，而Hashtable是synchronized，这意味着Hashtable是线程安全的，多个线程可以共享一个Hashtable；而如果没有正确的同步的话，多个线程是不能共享HashMap的。Java 5提供了ConcurrentHashMap，它是HashTable的替代，比HashTable的扩展性更好。

3. 另一个区别是HashMap的迭代器(Iterator)是fail-fast迭代器，而Hashtable的enumerator迭代器不是fail-fast的。所以当有其它线程改变了HashMap的结构（增加或者移除元素），将会抛出ConcurrentModificationException，但迭代器本身的remove()方法移除元素则不会抛出ConcurrentModificationException异常。但这并不是一个一定发生的行为，要看JVM。这条同样也是Enumeration和Iterator的区别。

4. 由于Hashtable是线程安全的也是synchronized，所以在单线程环境下它比HashMap要慢。如果你不需要同步，只需要单一线程，那么使用HashMap性能要好过Hashtable。

5. HashMap不能保证随着时间的推移Map中的元素次序是不变的。

6. Hashtable和HashMap它们两个内部实现方式的数组的初始大小和扩容的方式。HashTable中hash数组默认大小是11，增加的方式是 old*2+1。HashMap中hash数组的默认大小是16，而且一定是2的指数。

HashMap可以通过下面的语句进行同步：Map m = Collections.synchronizeMap(hashMap);

Hashtable和HashMap有几个主要的不同：线程安全以及速度。仅在你需要完全的线程安全的时候使用Hashtable，而如果你使用Java 5或以上的话，请使用ConcurrentHashMap吧。

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HashMap常见问题总结

1. HashMap的工作原理?(见开篇)

2. 你知道get和put的原理吗？equals()和hashCode()的都有什么作用？

答：通过对key的hashCode()进行hashing，并计算下标( n-1 & hash)，从而获得buckets的位置。如果产生碰撞，则利用key.equals()方法去链表或树中去查找对应的节点。

3. 为什么String, Interger这样的wrapper类适合作为键？

String, Interger这样的wrapper类作为HashMap的键是再适合不过了，而且String最为常用。因为String是不可变的，也是final的，而且已经重写了equals()和hashCode()方法了。其他的wrapper类也有这个特点。不可变性是必要的，因为为了要计算hashCode()，就要防止键值改变，如果键值在放入时和获取时返回不同的hashcode的话，那么就不能从HashMap中找到你想要的对象。不可变性还有其他的优点如线程安全。如果你可以仅仅通过将某个field声明成final就能保证hashCode是不变的，那么请这么做吧。因为获取对象的时候要用到equals()和hashCode()方法，那么键对象正确的重写这两个方法是非常重要的。如果两个不相等的对象返回不同的hashcode的话，那么碰撞的几率就会小些，这样就能提高HashMap的性能。

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参考资料：

1. 《Java HashMap工作原理及实现》
2. 《关于Java集合的小抄》
3. 《HashMap和Hashtable的区别》
4. 《Java 集合类详解》
5. 《Effective Java(Second Edition)》. Joshua Bloch.