java 雜湊運算淺分析 hash()

阿新 • • 發佈：2018-12-23

文章部分程式碼圖片和總結來自參考資料

雜湊和常用的方法

雜湊，從中文字面意思就很好理解了，分散排列，我們知道陣列地址空間連續，查詢快，增刪慢，而連結串列，查詢慢，增刪快，兩者結合起來形成散列表。如下圖。

常見的hash 雜湊方法有：

直接定址法

：直接以關鍵字k或者k加上某個常數（k+c）作為雜湊地址。

數字分析法：提取關鍵字中取值比較均勻的數字作為雜湊地址。(ThreadLocalMap中取的斐波那契數列數 0x61c88647 )

除留餘數法：用關鍵字k除以某個不大於雜湊表長度m的數p，將所得餘數作為雜湊表地址。

分段疊加法：按照雜湊表地址位數將關鍵字分成位數相等的幾部分，其中最後一部分可以比較短。然後將這幾部分相加，捨棄最高進位後的結果就是該關鍵字的雜湊地址。

平方取中法：如果關鍵字各個部分分佈都不均勻的話，可以先求出它的平方值，然後按照需求取中間的幾位作為雜湊地址。

偽隨機數法：採用一個偽隨機數當作雜湊函式。

雜湊後難免有碰撞，下面是解決碰撞的方法：

開放定址法

開放定址法就是一旦發生了衝突，就去尋找下一個空的雜湊地址，只要散列表足夠大，空的雜湊地址總能找到，並將記錄存入。（ThreadLoalMap）

鏈地址法

將雜湊表的每個單元作為連結串列的頭結點，所有雜湊地址為i的元素構成一個同義詞連結串列。即發生衝突時就把該關鍵字鏈在以該單元為頭結點的連結串列的尾部。(hashMap)

再雜湊法

當雜湊地址發生衝突用其他的函式計算另一個雜湊函式地址，直到衝突不再產生為止。

建立公共溢位區

將雜湊表分為基本表和溢位表兩部分，發生衝突的元素都放入溢位表中。

原始碼解析

我們知道Object型別有個hashCode()方法，那麼假如讓你設計散列表，我們的直接想法肯定是直接物件的hashCode()對面謳歌數取模就夠了，為什麼呢，首先理解一下取模，以我們的時鐘為例，12 個指標，13對12 取模就是1 （相當於下午1時），同理，要是24小時，對12取模，得到地數值很均勻。我們知道取模操作是“%”，處於效率考慮，一般使用位運算來代替（&運算）。

X % 2^n = X & (2^n - 1)

2^n表示2的n次方，也就是說，一個數對2^n取模 == 一個數和(2^n - 1)做按位與運算。

假設n為3，則2^3 = 8，表示成2進位制就是1000。2^3 -1 = 7 ，即0111。

此時X & (2^3 - 1) 就相當於取X的2進位制的最後三位數。

從2進位制角度來看，X / 8相當於 X >> 3，即把X右移3位，此時得到了X / 8的商，而被移掉的部分(後三位)，則是X % 8，也就是餘數。

下面看原始碼分析。

HashMap

hash方法計算出hash值，而indexFor 計算出該元素在散列表中的位置。indexFor方法很好理解啊，就是上面的（2的N次方-1），當時hash方法的一波操作是什麼意思呢？我們來看不同的三個數的hash值。

可以看到後兩個數的高位不同，低位相同，產生hash衝突，下圖是後兩個數經過一波操作後，得到的hash值，可以看到經過這樣的操作就解決了衝突。我們思考一下為什麼會衝突，是因為 &運算，0和誰&都會得到0

於是我們得出瞭如下結論

這段程式碼是為了對key的hashCode進行擾動計算，防止不同hashCode的高位不同但低位相同導致的hash衝突。簡單點說，就是為了把高位的特徵和低位的特徵組合起來，降低雜湊衝突的概率，也就是說，儘量做到任何一位的變化都能對最終得到的結果產生影響。

同時還有一點，Object的hashCode方法會有負數，hashmap使用位運算，得到的hash值都是正整數（可以想一下為什麼）

HashTable in Java7

我們在JDK1.8 中 HashTable 的put方法中看到：

  1         int hash = key.hashCode();
  2         int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;

前面的 ‘0 & 0x7FFFFFFF’ 是去絕對值的意思，後面直接取模了。需要注意的是 HashTable 預設的初始大小為11，之後每次擴充為原來的2n+1，也就是說，HashTable的連結串列陣列的預設大小是一個素數、奇數。之後的每次擴充結果也都是奇數。由於HashTable會盡量使用素數、奇數作為容量的大小。當雜湊表的大小為素數時，簡單的取模雜湊的結果會更加均勻。可參考：http://zhaox.github.io/algorithm/2015/06/29/hash）

ConcurrentHashMap In Java 7

有了上面 hashmap的擾動運算的介紹，應該很好理解了。

HashMap In Java 8

直接的鏈地址法，就是衝突了就在後面增加一個節點的方法有什麼壞處呢？在最壞的情況下，這種方式會將HashMap的get方法的效能從 O(1)降低到 O(n)----有可能所有的資料生成在一條連結串列，即每個都衝突。Java 8中使用平衡樹來替代連結串列儲存衝突的元素。這意味著我們可以將最壞情況下的效能從 O(n)提高到 O(logn)。

我們再看一下hash函式。

在JDK1.8的實現中，優化了高位運算的演算法，通過hashCode()的高16位異或低16位實現的：(h = k.hashCode()) ^ (h >>> 16)，主要是從速度、功效、質量來考慮的。以上方法得到的int的hash值，然後再通過 h&(table.length-1)來得到該物件在資料中儲存的位置。

ConcurrentHashMap In Java 8

Java 8的ConcurrentHashMap作者認為引入紅黑樹後，即使雜湊衝突比較嚴重，定址效率也足夠高，所以作者並未在雜湊值的計算上做過多設計，只是將Key的hashCode值與其高16位作異或並保證最高位為0（從而保證最終結果為正整數）。

引數資料 :

Hollis 公眾號裡的“全網把 Map 中的 hash() 分析的最透徹的文章，別無二家”一文
從 ThreadLocal 的實現看雜湊演算法

java 雜湊運算淺分析 hash()

雜湊和常用的方法