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深入理解HashMap及底層實現

阿新 • • 發佈：2018-12-30

概述：HashMap是我們常用的一種集合類，資料以鍵值對的形式儲存。我們可以在HashMap中儲存指定的key，value鍵值對；也可以根據key值從HashMap中取出相應的value值；也可以通過keySet方法返回key檢視進行迭代。以上是基於HashMap的常見應用，但是光會使用是遠遠不夠的，接下來將我們深入剖析HashMap的實現原理並手寫實現一個簡單的HashMap。

HashMap的儲存結構

如圖：
在這裡插入圖片描述
通過圖例我們可以發現，HashMap其實是由陣列和連結串列組合而成的，綜合了二者的優點，可以快速定位並且快速修改資料。陣列的特點：陣列是一種連續的儲存結構，查詢元素快，時間複雜度為O（1），但增刪元素慢，需要移動整個陣列，時間複雜度為O（n）；連結串列的特點：連結串列是由一個個節點組成，節點之間通過引用聯絡起來，連結串列查詢元素需要從根節點遍歷，逐個查詢，時間複雜度為O（n），但連結串列增刪資料十分便捷，只要修改節點之間的引用即可實現。HashMap綜合了兩者的優點，我們都知道HashMap是通過key來定位的，接下來介紹一下中間環節具體是如何實現的：
1、獲取hashCode()值

：假設key值是一段字串，我們先通過hashCode方法計算這段字串的HashCode值，如下：

public int hashCode() { 
   int h = hash; 
   if (h == 0 && value.length > 0) { 
   char val[] = value;
        for (int i = 0; i < value.length; i++) {
            h = 31 * h + val[i];
        }
        hash = h;
    }
    return h;
  }

hashCode()方法是可以改寫的，對於不同資料型別我們可以採用不同的hashCode()方法，我們獲得的hashCode值是一串數字，不同key值對應的hashCode是不同的，我們一般無法通過一個hashCode值獲取到兩個相同的key值。
2、通過雜湊函式獲取在陣列中儲存的下標位置：我們剛剛只是獲取了一串資料來表示key的身份，但不知道它對應與HashMap的陣列部分的儲存位置，接下來我們還需要一步轉化來獲取一個範圍在陣列長度內的數字，那就是雜湊函式，雜湊函式也不唯一，有很多實現形式，效能也各有不同，但最終目的都是為了獲得一個在長度範圍內的值作為下標。這裡給出一個雜湊函式：

	private int hash(K k) {
        int hashCode=k.hashCode();//獲取HashCode
        hashCode^=(hashCode>>>12)^(hashCode>>>20);
        return hashCode^(hashCode>>>7)^(hashCode>>>4);
	}

其中“^”表示按位異或，“>>>”表示無符號右移。
3、找到具體的節點位置並插入：陣列的每個位置都可能引出一串連結串列結構，這是為了防止發生雜湊碰撞設計的，如果在這個位置原本就為空，那麼直接建立一個新的節點（HashMap的鍵值對儲存在節點中，節點內有key，value，下一個節點的引用等資料 ）並存入，如果在下標處已經存在一個節點，當我們再次通過索引準備把一個新的節點存入時，就會發生雜湊碰撞。對於雜湊碰撞我們有如下幾種處理方式：

  • 若和之前儲存在此處的節點的key值相同，則更新value即可。
  • 若和之前儲存在此處的節點的key值不同，只是因為hashCode相同而都安排在了這個地方，那麼我們會通過新的鍵值對生成新的節點，把它放在原先節點的前面。之後在查詢的時候，我們需要遍歷這兩個節點才能找到對應的key值，獲取value。
  • 擴容：當新增的資料較多，滿足陣列擴容條件時（連結串列擴容條件：當節點總數達到設定的節點數閾值後初次發生發生雜湊碰撞，陣列就需要擴容），完美就會建立一個長度為原來兩倍的陣列，把原節點資料遷移到新的陣列，再插入新節點，即可解決雜湊碰撞問題，一般陣列預設的閾值是0.75，陣列的長度一般預設16。

小結：通過以上介紹，我們對於HashMap的儲存形式和資料結構已經有了基本的瞭解，概括一下就是：HashMap通過陣列的結構可以迅速找到儲存的位置，通過連結串列實現了相同hashCode的資料的儲存以及便捷的增刪操作，另外通過擴容機制保證了儲存的高效和陣列長度的自適應。

手寫實現一個簡單的HashMap

接下來我們手寫實現一個簡單的HashMap，可以實現鍵值對儲存，以及通過key值獲取value。
1、Map及節點介面（節點用內部介面實現）：

public interface MyMap<K,V>{  
	public V put(K t,V v);  //存方法
	public V get(K T);    //取方法		
	interface Entry<K,V>  //Entry為Map中的元素，定義一個內部介面
	{
		public K getKey();  //獲取Key值
		public V getValue();  //獲取Value值
	}	
}

2、MyHashMap類（支援泛型）：

public class MyHashMap<K,V> implements MyMap<K, V>
{
	private static final int LENGTH=16; //預設定義陣列的初始長度
	private static final float LOAD = 0.75f; //預設定義閾值比例
	private int length; //主動定義陣列的長度
	private float load;  //主動定義閾值比例	
	private int entryUseSize;  //記錄map中當前Entry數量
	private Entry<K, V>[] table=null;//申明一個數組
	/**
	 * 預設建立HashMap時，指定陣列長度為預設值
	 */
    public MyHashMap(){
    	this(LENGTH,LOAD);  //呼叫構造方法
    }	
    /**
     * 構造方法，在執行時生成對應長度的陣列
     * @param length
     * @param load
     */
	public MyHashMap(int length,float load) {
		// TODO Auto-generated constructor stub
		this.length=length;
		this.load = load;
		table = new Entry[this.length];
	}
	/**
	 * 修改陣列長度，建立一個新的陣列
	 * @param length
	 */
	public void resize(int length)
	{
		Entry<K,V>[] newTable = new Entry[length]; //建立新的陣列
		this.length=length;
		this.entryUseSize=0;
		rehash(newTable);		//內容遷移
	}			
    /**
     * 老陣列到新陣列的資料遷移
     * @param newTable
     */
	public void rehash(Entry<K, V>[] newTable) {
		ArrayList<Entry<K,V>> array = new ArrayList<>();
		for(Entry<K,V> entry:table) //遍歷陣列table，新增到ArrayList，即取資料，先取出第一個Entry，再在while迴圈中取出後續的資料
		{
			if(entry!=null)
			{
				do
				{
				   array.add(entry); //添加當前節點
				   entry=entry.next;//獲得連結串列中下一個節點的引用
				}
				while(entry!=null);//若有後續節點，則繼續新增到ArrayList
			}
		}		
		table=newTable;  //覆蓋舊引用		
		for(Entry<K,V> entry : array)  //遍歷ArrayList開始存放到新陣列
		{
			put(entry.getKey(),entry.getValue()); //存值
		}		
	}
	/**
	 * 
	 * 節點類，存放資料和指標
	 * @author mayifan
	 *
	 * @param <K>
	 * @param <V>
	 */
    class Entry<K,V> implements MyMap.Entry<K, V>
    {
        private K key; //存放key值
        private V value; //存放value值
        private Entry<K,V> next; //指向下一個相同hash對應的元素，也是它前一個新增的元素                
        /**
         * 構造方法：定義一個空的節點
         */
        public void Entry()
        {        	
        }        
        /**
         * 構造方法
         * @param key
         * @param value
         * @param entry
         */
        public Entry (K key,V value,Entry<K,V> next){
        	this.key=key;
        	this.value=value;
        	this.next = next;
        }        
		/**
		 * 獲取節點的key值
		 */
		public K getKey() {
			// TODO Auto-generated method stub
			return key;
		}
		/**
		 * 獲取節點的value值
		 */
		public V getValue() {
			// TODO Auto-generated method stub
			return value;
		}    	
    }
	/**
	 * 存放鍵值對的方法
	 * 新增鍵值對的時候要考慮是否需要擴容
	 * 擴容條件：當節點總數超過限額後第一次發生hash碰撞，會導致擴容，容量增加一倍，建一個新的陣列，原陣列的資料遷移到新的陣列上，再加上新的節點，刪除原陣列
	 */
	public V put(K k, V v) {
		V oldValue=null;
		if(entryUseSize>=length*load)  //滿足條件，則擴容
		{
              resize(2*length);
		}
		int i = hash(k)&(length-1);  //得到Hash值，計算在陣列中的位置。length是2的冪次，（length-1）可以得到全為1的二進位制數。
		if(table[i]==null)  //該位置為空
		{
			table[i]=new Entry<K,V>(k,v,null);
			entryUseSize++;
		}
		else   //不為空，則逐個比對判斷有沒有重複，如果重複返回源節點
		{	
			Entry<K,V> entry = table[i]; //獲取第一個節點
			do
			{				
				if(entry.getKey().equals(k))//若找到相同的key，則更新value
				{
					oldValue=entry.getValue(); ///獲取節點的原value
					entry.value=v;
					return oldValue;
				}
				entry=entry.next;  //下一個節點
			}
			while(entry!=null);  //下一個節點不為空，則繼續判斷

			Entry<K, V> entry1 = new Entry<K,V>(k, v,table[i]); //新建一個節點指向原節點
			table[i]=entry1;
			entryUseSize++;
		}
		return oldValue;
	}
	/**
	 * 獲取指定K值的資料
	 */
	public V get(K k) {
		V value = null;
        int i = hash(k)&(length-1);
        if(table[i]!=null)   //table不為null
        {
        	Entry<K, V> entry = table[i];  //獲取entry節點
        	do
        	{
        		if(entry.getKey().equals(k)||entry.getKey()==k)
        		{
        			return entry.value;
        		}
        		entry=entry.next;	
        	}
        	while(entry!=null);
        }		
		return value;
	}
	/**
	 * 獲取指定key值的hash值（一種雜湊函式）
	 * @param t
	 * @return
	 */
	private int hash(K k) {
        int hashCode=k.hashCode();//獲取HashCode
        hashCode^=(hashCode>>>12)^(hashCode>>>20);
        return hashCode^(hashCode>>>7)^(hashCode>>>4);
	}		
}

3、測試類（有兩種鍵值對）：

public class Test{	
	public static void main(String[] args)
	{
		System.out.println("存取int和String鍵值對：");
		MyHashMap<Integer, String> mp = new MyHashMap();  				
		mp.put(123, "asdasdad");
		mp.put(346,"ddddd");
		mp.put(3333, "sssss");
		mp.put(4444, "xxxxx");
		mp.put(789, "aaaaa");
		System.out.println(mp.get(123));
		System.out.println(mp.get(346));
		System.out.println(mp.get(3333));
		System.out.println(mp.get(4444));
		System.out.println(mp.get(789));		
		System.out.println("存取String和String鍵值對：");
		MyHashMap<String, String> mp1 = new MyHashMap();  		
		mp1.put("ss", "cvcvv");
		mp1.put("aaaa","uu");
		mp1.put("dr", "yyy");
		mp1.put("qwe", "rrrrr");
		mp1.put("vv", "dsfsf");		
		System.out.println(mp1.get("ss"));
		System.out.println(mp1.get("aaaa"));
		System.out.println(mp1.get("dr"));
		System.out.println(mp1.get("qwe"));
		System.out.println(mp1.get("vv"));			
	}		
}

4、輸出結果測試：
在這裡插入圖片描述
以上測試結果表明HashMap的基本概念得到了實現。

關於HashMap一些問題的分析

1、一個key多個value如何實現？
key值是唯一的，但由於鍵值對是以節點的形式儲存，那麼在key值唯一的前提下，可以在節點儲存value1，value2等資料。我們可以寫獲取節點的方法，然後讀取不同value，或者重寫get方法返回陣列，都可以實現一個key獲取多個value。
2、HashMap是否執行緒安全？
答案是否定的，HashTable是執行緒安全的，而HashMap不是，我們在HashMap的底層原始碼中找不到synchronize關鍵字，如果在多執行緒併發訪問的時候是有可能出現錯誤的。那麼如果避免呢？我們需要在程式層面人為地實現同步，確保同一時間只有一個執行緒訪問HashMap。雖然HashMap不是執行緒安全的，但它也有優點，比如效率高，速度快等。
3、為什麼陣列的長度初值為2的指數次？
在進行按位與的時候可以顯現出它的優點，（長度-1）轉化為二進位制可以得到的二進位制各位都是1，不會造成儲存空間的浪費。
4、為什麼計算HashCode時使用31這個奇質數？
如果數值太小會使得最後得到的範圍很小，容易發生雜湊碰撞；如果數值超過100會使得到的數值超出int的範圍；31+1得到的32是2的指數次，可以方便JVM進行移位運算，如：31 * i = (i << 5) - i

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