HashMap的工作原理

2019-05-07 22:30:55

一、概述

从本文你可以学习到：

• 什么时候会使用HashMap？他有什么特点？
• 你知道HashMap的工作原理吗？
• 你知道get和put的原理吗？equals()和hashCode()的都有什么作用？
• 你知道hash的实现吗？为什么要这样实现？
• 如果HashMap的大小超过了负载因子(load factor)定义的容量，怎么办？

在官方文档中是这样描述HashMap的：

Hash table based implementation of the Map interface. This implementation provides all of the optional map operations, and permits null values and the null key. (The HashMap class is roughly equivalent to Hashtable, except that it is unsynchronized and permits nulls.) This class makes no guarantees as to the order of the map; in particular, it does not guarantee that the order will remain constant over time.

几个关键的信息：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。

二、两个重要的参数

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

• Initial capacity ：The capacity is the number of buckets in the hash table, The initial capacity is simply the capacity at the time the hash table is created.
• Load factor ：The load factor is a measure of how full the hash table is allowed to get before its capacity is automatically increased.

简单的说，Capacity就是buckets的数目，Load factor就是buckets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填充的数目（即hashmap中元素的个数）大于capacity*load factor时就需要调整buckets的数目为当前的2倍。

【注】load factor默认值为0.75

三、put函数的实现

put函数大致的思路为：

1. 对key的hashCode()做hash，然后再计算index;
2. 如果没碰撞直接放到bucket里；
3. 如果碰撞了，以链表的形式存在buckets后；
4. 如果碰撞导致链表过长(大于等于TREEIFY_THRESHOLD)，就把链表转换成红黑树；
5. 如果节点已经存在就替换old value(保证key的唯一性)
6. 如果bucket满了(超过load factor*current capacity)，就要resize。

四、get函数的实现

在理解了put之后，get就很简单了。大致思路如下：

• bucket里的第一个节点，直接命中；
• 如果有冲突，则通过key.equals(k)去查找对应的entry。
• 若为树，则在树中通过key.equals(k)查找，O(logn)；若为链表，则在链表中通过key.equals(k)查找，O(n)。

五、hash函数的实现

在get和put的过程中，计算下标时，先对hashCode进行hash操作，然后再通过hash值进一步计算下标，如下图所示：

在设计hash函数时，因为目前的table长度n为2的幂，而计算下标的时候，使用(n - 1) & hash来限制得到的idx的大小在capacity内。

六、Resize的实现

当put时，如果发现目前的bucket占用程度已经超过了Load Factor所希望的比例，那么就会发生resize。在resize的过程，简单的说就是把bucket扩充为2倍，之后重新计算index，把节点再放到新的bucket中。resize的注释是这样描述的：

Initializes or doubles table size. If null, allocates in accord with initial capacity target held in field threshold. Otherwise, because we are using power-of-two expansion, the elements from each bin must either stay at same index, or move with a power of two offset in the new table.

 大致意思就是说，当超过限制的时候会resize，然而又因为我们使用的是2次幂的扩展(指长度扩为原来2倍)，所以，元素的位置要么是在原位置，要么是在原位置再移动2次幂的位置。

七、总结

我们现在可以回答开始的几个问题，加深对HashMap的理解：

1. 什么时候会使用HashMap？他有什么特点？
是基于Map接口的实现，存储键值对时，它可以接收null的键值，是非同步的，HashMap存储着Entry(hash, key, value, next)对象。

2. 你知道HashMap的工作原理吗？
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。

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

4. 你知道hash的实现吗？为什么要这样实现？
在Java 1.8的实现中，是通过hashCode()的高16位异或低16位实现的：(h = k.hashCode()) ^ (h >>> 16)，主要是从速度、功效、质量来考虑的，这么做可以在bucket的n比较小的时候，也能保证考虑到高低bit都参与到hash的计算中，同时不会有太大的开销。

5. 如果HashMap的大小超过了负载因子(load factor)定义的容量，怎么办？
如果超过了负载因子(默认0.75)，则会重新resize一个原来长度两倍的HashMap，并且重新调用hash方法。