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介紹Java集合儲存之HashMap

Y2J原創: 2017-05-09 11:52:491457瀏覽

這篇文章主要介紹了HashMap工作原理_動力節點Java學院整理,需要的朋友可以參考下

#實際上，HashSet 和HashMap 之間有很多相似之處，對於HashSet 而言，系統採用Hash 演算法決定集合元素的儲存位置，這樣可以保證能快速存、取集合元素；對於HashMap 而言，系統key-value 當成一個整體進行處理，系統總是根據Hash 演算法來計算key-value 的存儲位置，這樣可以保證能快速儲存、取Map 的key-value 對。

在介紹集合儲存之前需要指出一點：雖然集合號稱儲存的是Java 物件，但實際上並不會真正將Java 物件放入Set 集合中，只是在Set 集合中保留這些物件的引用而言。也就是說：Java 集合其實是多個引用變數所組成的集合，這些引用變數指向實際的 Java 物件。就像引用類型的數組一樣，當我們把Java 物件放入數組之時，並不是真正的把Java 物件放入數組中，只是把物件的引用放入數組中，每個數組元素都是一個引用變數。

HashMap儲存的實作（put()方法）

#當程式試圖將多個key-value放入HashMap中是，以如下程式碼片段為例：

 HashMap<String , Double> map = new HashMap<String , Double>(); 
 map.put("语文" , 80.0); 
 map.put("数学" , 89.0); 
 map.put("英语" , 78.2);

HashMap採用了一種所謂的「Hash演算法」來決定每個元素的儲存位置。

當程式執行map.put("語文",80.0)時，系統會呼叫"語文"（即Key）的hashCode()方法得到其hashCode值---每個java物件都有hashCode ()方法，都可以透過此方法得到它的hashCode值。得到這個物件的hashCode值之後，系統會根據hashCode值來決定該元素的儲存位置。

我們可以看HashMap類別的put(K key,V value)方法的原始碼：

public V put(K key, V value) 
 { 
  // 如果 key 为 null，调用 putForNullKey 方法进行处理 
  if (key == null) 
   return putForNullKey(value); 
  // 根据 key 的 keyCode 计算 Hash 值 
  int hash = hash(key.hashCode()); 
  // 搜索指定 hash 值在对应 table 中的索引 
  int i = indexFor(hash, table.length); 
  // 如果 i 索引处的 Entry 不为 null，通过循环不断遍历 e 元素的下一个元素 
  for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) 
  { 
   Object k; 
   // 找到指定 key 与需要放入的 key 相等（hash 值相同 
   // 通过 equals 比较放回 true） 
   if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key 
    || key.equals(k))) 
   { 
    V oldValue = e.value; 
    e.value = value; 
   e.recordAccess(this); 
    return oldValue; 
   } 
  } 
  // 如果 i 索引处的 Entry 为 null，表明此处还没有 Entry 
  modCount++; 
  // 将 key、value 添加到 i 索引处 
  addEntry(hash, key, value, i); 
  return null; 
 }

上面程式中用到了一個重要的內部介面：Map.Entry，每個Map.Entry 其實就是一個key-value 對。從上面程式可以看出：當系統決定儲存 HashMap 中的 key-value 對時，完全沒有考慮 Entry 中的 value，只根據 key 來計算並決定每個 Entry 的儲存位置。這也說明了前面的結論：我們完全可以把 Map 集合中的 value 當成 key 的附屬，當系統決定了 key 的存儲位置之後，value 隨之保存在那裡即可。

上面方法提供了一個根據hashCode() 傳回值來計算Hash 碼的方法：hash()，這個方法是一個純粹的數學計算，其方法如下：

static int hash(int h) 
{ 
 h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12); 
 return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4); 
}

對於任意給定的對象，只要它的hashCode() 傳回值相同，那麼程式呼叫hash(int h) 方法所計算得到的Hash 碼值總是相同的。接下來程式會呼叫 indexFor(int h, int length) 方法來計算該物件應該保存在 table 陣列的哪個索引處。

indexFor(int h, int length) 方法的程式碼如下：

static int indexFor(int h, int length) 
{ 
 return h & (length-1); 
}

這個方法非常巧妙，它總是透過h &(table.length -1) 來得到該物件的保存位置－而HashMap 底層陣列的長度總是2 的n 次方，這一點可參考後面關於HashMap 建構器的介紹。

當length 總是2 的倍數時，h & (length-1)將是一個非常巧妙的設計：假設h=5,length=16, 那麼h & length - 1 將得到5；如果h=6,length=16, 那麼h & length - 1 將得到6 ……如果h=15,length=16, 那麼h & length - 1 將得到15；但是當h=16 時, length=16 時，那麼h & length - 1 將得到0 了；當h=17 時, length=16 時，那麼h & length - 1 將得到1 了…這樣保證計算得到的索引值總是位於table 數組的索引之內。

根據上面put 方法的原始碼可以看出，當程式試圖將一個key-value 對放入HashMap 中時，程式首先根據該key 的hashCode() 傳回值決定該Entry 的儲存位置：如果兩個Entry 的key 的hashCode() 回傳值相同，則它們的儲存位置相同。如果這兩個 Entry 的 key 透過 equals 比較傳回 true，新加入 Entry 的 value 將覆蓋集合中原有 Entry 的 value，但 key 不會覆寫。如果這兩個Entry 的key 透過equals 比較回傳false，新加入的Entry 會與集合中原有Entry 形成Entry 鏈，而且新加入的Entry 位於Entry 鏈的頭部－具體說明繼續看addEntry() 方法的說明。

当向 HashMap 中添加 key-value 对，由其 key 的 hashCode() 返回值决定该 key-value 对（就是 Entry 对象）的存储位置。当两个 Entry 对象的 key 的 hashCode() 返回值相同时，将由 key 通过 eqauls() 比较值决定是采用覆盖行为（返回 true），还是产生 Entry 链（返回 false）。

上面程序中还调用了 addEntry(hash, key, value, i); 代码，其中 addEntry 是 HashMap 提供的一个包访问权限的方法，该方法仅用于添加一个 key-value 对。下面是该方法的代码：

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) 
{ 
 // 获取指定 bucketIndex 索引处的 Entry 
 Entry<K,V> e = table[bucketIndex]; // ①
 // 将新创建的 Entry 放入 bucketIndex 索引处，并让新的 Entry 指向原来的 Entry 
 table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e); 
 // 如果 Map 中的 key-value 对的数量超过了极限
 if (size++ >= threshold) 
  // 把 table 对象的长度扩充到 2 倍。
  resize(2 * table.length); // ②
}

上面方法的代码很简单，但其中包含了一个非常优雅的设计：系统总是将新添加的 Entry 对象放入 table 数组的 bucketIndex 索引处——如果 bucketIndex 索引处已经有了一个 Entry 对象，那新添加的 Entry 对象指向原有的 Entry 对象（产生一个 Entry 链），如果 bucketIndex 索引处没有 Entry 对象，也就是上面程序①号代码的 e 变量是 null，也就是新放入的 Entry 对象指向 null，也就是没有产生 Entry 链。

什么是Map.Entry？

Map是java中的接口，Map.Entry是Map的一个内部接口。

Map提供了一些常用方法，如keySet()、entrySet()等方法，keySet()方法返回值是Map中key值的集合；entrySet()的返回值也是返回一个Set集合，此集合的类型为Map.Entry。

Map.Entry是Map声明的一个内部接口，此接口为泛型，定义为Entryb77a8d9c3c319e50d4b02a976b347910。它表示Map中的一个实体（一个key-value对）。接口中有getKey(),getValue方法。

由以上可以得出，遍历Map的常用方法：

 1. Map map = new HashMap(); 
   Irerator iterator = map.entrySet().iterator(); 
   while(iterator.hasNext()) { 
     Map.Entry entry = iterator.next(); 
     Object key = entry.getKey(); 
     // 
   } 
  2.Map map = new HashMap(); 
   Set keySet= map.keySet(); 
   Irerator iterator = keySet.iterator; 
   while(iterator.hasNext()) { 
     Object key = iterator.next(); 
     Object value = map.get(key); 
     // 
   }

另外，还有一种遍历方法是，单纯的遍历value值，Map有一个values方法，返回的是value的Collection集合。通过遍历collection也可以遍历value,如

 Map map = new HashMap(); 
  Collection c = map.values(); 
  Iterator iterator = c.iterator(); 
  while(iterator.hasNext()) { 
    Object value = iterator.next(); 
 }

Map.Entry是Map内部定义的一个接口，专门用来保存key→value的内容。Map.Entry的定义如下：

1. public static interface Map.Entryb77a8d9c3c319e50d4b02a976b347910

Map.Entry是使用static关键字声明的内部接口，此接口可以由外部通过"外部类.内部类"的形式直接调用。
Map.Entry接口的常用方法

public V getValue()public int hashCode()

序号	方法	类型	描述
1	public boolean equals(Object o)	普通	#物件比較
#2	#public K getKey()	普通	取得key
			# 3
普通	取得value		4
#普通	##回傳哈希碼 #####################5##################public V setValue(V值)######	普通	设置value的值

从之前的内容可以知道，在Map的操作中，所有的内容都是通过key→value的形式保存数据的，那么对于集合来讲，实际上是将key→value的数据保存在了Map.Entry的实例之后，再在Map集合中插入的是一个Map.Entry的实例化对象，如下图所示。

提示：Map.Entry在集合输出时会使用到。

在一般的Map操作中（例如，增加或取出数据等操作）不用去管Map.Entry接口，但是在将Map中的数据全部输出时就必须使用Map.Entry接口

HashMap 的存储示意

HashMap 的读取实现（）

当 HashMap 的每个 bucket 里存储的 Entry 只是单个 Entry ——也就是没有通过指针产生 Entry 链时，此时的 HashMap 具有最好的性能：当程序通过 key 取出对应 value 时，系统只要先计算出该 key 的 hashCode() 返回值，在根据该 hashCode 返回值找出该 key 在 table 数组中的索引，然后取出该索引处的 Entry，最后返回该 key 对应的 value 即可。看 HashMap 类的 get(K key) 方法代码：

 public V get(Object key) 
 { 
 // 如果 key 是 null，调用 getForNullKey 取出对应的 value 
 if (key == null) 
 return getForNullKey(); 
 // 根据该 key 的 hashCode 值计算它的 hash 码
 int hash = hash(key.hashCode()); 
 // 直接取出 table 数组中指定索引处的值，
 for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)]; 
 e != null; 
 // 搜索该 Entry 链的下一个 Entr 
 e = e.next) // ①
 { 
 Object k; 
 // 如果该 Entry 的 key 与被搜索 key 相同
 if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key 
 || key.equals(k))) 
 return e.value; 
 } 
 return null; 
 }

从上面代码中可以看出，如果 HashMap 的每个 bucket 里只有一个 Entry 时，HashMap 可以根据索引、快速地取出该 bucket 里的 Entry；在发生“Hash 冲突”的情况下，单个 bucket 里存储的不是一个 Entry，而是一个 Entry 链，系统只能必须按顺序遍历每个 Entry，直到找到想搜索的 Entry 为止——如果恰好要搜索的 Entry 位于该 Entry 链的最末端（该 Entry 是最早放入该 bucket 中），那系统必须循环到最后才能找到该元素。
归纳起来简单地说，HashMap 在底层将 key-value 当成一个整体进行处理，这个整体就是一个 Entry 对象。HashMap 底层采用

一个 Entry[] 数组来保存所有的 key-value 对，当需要存储一个 Entry 对象时，会根据 Hash 算法来决定其存储位置；当需要取出一个 Entry 时，也会根据 Hash 算法找到其存储位置，直接取出该 Entry。由此可见：HashMap 之所以能快速存、取它所包含的 Entry，完全类似于现实生活中母亲从小教我们的：不同的东西要放在不同的位置，需要时才能快速找到它。
当创建 HashMap 时，有一个默认的负载因子（load factor），其默认值为 0.75，这是时间和空间成本上一种折衷：增大负载因子可以减少 Hash 表（就是那个 Entry 数组）所占用的内存空间，但会增加查询数据的时间开销，而查询是最频繁的的操作（HashMap 的 get() 与 put() 方法都要用到查询）；减小负载因子会提高数据查询的性能，但会增加 Hash 表所占用的内存空间。

掌握了上面知识之后，我们可以在创建 HashMap 时根据实际需要适当地调整 load factor 的值；如果程序比较关心空间开销、内存比较紧张，可以适当地增加负载因子；如果程序比较关心时间开销，内存比较宽裕则可以适当的减少负载因子。通常情况下，程序员无需改变负载因子的值。

如果开始就知道 HashMap 会保存多个 key-value 对，可以在创建时就使用较大的初始化容量，如果 HashMap 中 Entry 的数量一直不会超过极限容量（capacity * load factor），HashMap 就无需调用 resize() 方法重新分配 table 数组，从而保证较好的性能。当然，开始就将初始容量设置太高可能会浪费空间（系统需要创建一个长度为 capacity 的 Entry 数组），因此创建 HashMap 时初始化容量设置也需要小心对待。

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