Java集合框架HashMap说明

HashMap 也是我们使用非常多的 Collection，它是基于哈希表的 Map 接口的实现，以key-value 的形式存在。在 HashMap 中，key-value 总是会当做一个整体来处理，系统会根据 hash 算法来来计算 key-value 的存储位置，我们总是可以通过 key 快速地存、取 value。下面就来分析 HashMap 的存取。

一、定义

HashMap 实现了 Map 接口，继承 AbstractMap。其中 Map 接口定义了键映射到值的规则，而 AbstractMap类提供 Map 接口的骨干实现，以最大限度地减少实现此接口所需的工作，其实 AbstractMap 类已经实现了Map，这里标注 Map LZ 觉得应该是更加清晰吧！

public class HashMap<K,V>

extends AbstractMap<K,V>

implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable

二、构造函数

HashMap 提供了三个构造函数：

HashMap()：构造一个具有默认初始容量 (16) 和默认加载因子 (0.75) 的空 HashMap。

HashMap(int initialCapacity)：构造一个带指定初始容量和默认加载因子 (0.75) 的空 HashMap。

HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)：构造一个带指定初始容量和加载因子的空 HashMap。

在这里提到了两个参数：初始容量，加载因子。这两个参数是影响 HashMap 性能的重要参数，其中容量表示哈希表中桶的数量，初始容量是创建哈希表时的容 量，加载因子是哈希表在其容量自动增加之前可以达到多满的一种尺度，它衡量的是一个散列表的空间的使用程度，负载因子越大表示散列表的装填程度越高，反之 愈小。对于使用链表法的散列表来说，查找一个元素的平均时间是 O(1+a)，因此如果负载因子越大，对空间的利用更充分，然而后果是查找效率的降低；如果 负载因子太小，那么散列表的数据将过于稀疏，对空间造成严重浪费。系统默认负载因子为 0.75，一般情况下我们是无需修改的。HashMap 是一种支持快速存取的数据结构，要了解它的性能必须要了解它的数据结构。

三、数据结构

我们知道在 Java 中最常用的两种结构是数组和模拟指针(引用)，几乎所有的数据结构都可以利用这两种来组合实现，HashMap 也是如此。实际上 HashMap 是一个“链表散列”，如下是它数据结构：

从上图我们可以看出 HashMap 底层实现还是数组，只是数组的每一项都是一条链。其中参数initialCapacity 就代表了该数组的长度。下面为 HashMap 构造函数的源码：

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
//初始容量不能<0
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " + initialCapacity);
//初始容量不能 > 最大容量值，HashMap 的最大容量值为 2^30
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
//负载因子不能 < 0
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: "+ loadFactor);
// 计算出大于 initialCapacity 的最小的2的n 次方值。
int capacity = 1;
while (capacity < initialCapacity)
capacity <<= 1;
this.loadFactor = loadFactor;//设置 HashMap 的容量极限，当 HashMap 的容量达到该极限时就会进行扩容操作
threshold = (int) (capacity * loadFactor);
//初始化 table 数组
table = new Entry[capacity];
init();
}

从源码中可以看出，每次新建一个 HashMap 时，都会初始化一个 table 数组。table 数组的元素为 Entry节点。

static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final K key;
V value;
Entry<K,V> next;
final int hash;
/**
* Creates new entry.
*/
Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
value = v;
next = n;
key = k;
hash = h;
}
.......
}

其中 Entry 为 HashMap 的内部类，它包含了键 key、值 value、下一个节点 next，以及 hash 值，这是

非常重要的，正是由于 Entry 才构成了 table 数组的项为链表。

上面简单分析了 HashMap 的数据结构，下面将探讨 HashMap 是如何实现快速存取的。

四、存储实现：put(key,vlaue)

首先我们先看源码

public V put(K key, V value) {

//当 key 为 null，调用 putForNullKey 方法，保存 null 与 table 第一个位置中，这是 HashMap允许为 null 的原因

if (key == null)
return putForNullKey(value);
//计算 key 的 hash 值
int hash = hash(key.hashCode()); ------(1)
//计算 key hash 值在 table 数组中的位置
int i = indexFor(hash, table.length); ------(2)
//从 i 出开始迭代 e,找到 key 保存的位置
for (Entry<K, V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
Object k;
//判断该条链上是否有 hash 值相同的(key 相同)//若存在相同，则直接覆盖 value，返回旧 value
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
V oldValue = e.value; //旧值 = 新值
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue; //返回旧值
} 
}
//修改次数增加 1
modCount++;
//将 key、value 添加至 i 位置处
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}

通过源码我们可以清晰看到 HashMap 保存数据的过程为：首先判断 key 是否为 null，若为 null，则直接调用 putForNullKey 方法。若 不为空则先计算 key 的 hash 值，然后根据 hash 值搜索在 table 数组中的索引位置，如果 table 数组在该位置处有元素，则通过比较是否存在相同 的 key，若存在则覆盖原来 key的 value，否则将该元素保存在链头（最先保存的元素放在链尾）。若 table 在该处没有元素，则直接保存。这个过程 看似比较简单，其实深有内幕。有如下几点：

1、 先看迭代处。此处迭代原因就是为了防止存在相同的 key 值，若发现两个 hash 值（key）相同时，HashMap 的处理方式是用新 value 替换旧 value，这里并没有处理 key，这就解释了 HashMap 中没有两个相同的 key。

2、 在看（1）、（2）处。这里是 HashMap 的精华所在。首先是 hash 方法，该方法为一个纯粹的数学计算，就是计算 h 的 hash 值。

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

我们知道对于 HashMap 的 table 而言，数据分布需要均匀（最好每项都只有一个元素，这样就可以直接找到），不能太紧也不能太松，太紧会导致查询速 度慢，太松则浪费空间。计算 hash 值后，怎么才能保证 table 元素分布均与呢？我们会想到取模，但是由于取模的消耗较大，HashMap 是这样处理 的：调用indexFor 方法。

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

HashMap 的底层数组长度总是 2 的 n 次方，在构造函数中存在：capacity <<= 1;这样做总是能够保证 HashMap 的底层数组长度为 2 的 n 次方。当 length 为 2 的 n 次方时，h&(length - 1)就相当于对 length取模，而且速度比直接取模快得多，这是 HashMap 在速度上的一个优化。至于为什么是 2 的 n 次方下面解释。

我们回到 indexFor 方法，该方法仅有一条语句：h&(length - 1)，这句话除了上面的取模运算外还有一个非常重要的责任：均匀分布 table 数据和充分利用空间。这里我们假设 length 为 16(2^n)和 15，h 为 5、6、7。

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