Map实现之HashMap（结构及原理）(转)

java.util包中的集合类包含 Java 中某些最常用的类。最常用的集合类是 List 和 Map。List 的具体实现包括 ArrayList 和 Vector，它们是可变大小的列表，比较适合构建、存储和操作任何类型对象元素列表。List 适用于按数值索引访问元素的情形。

        Map 则提供了一个更通用的元素存储方法。Map 集合类用于存储元素对（称作“键”和“值”），其中每个键映射到一个值。从概念上而言，您可以将 List 看作是具有数值键的 Map。而实际上，除了 List 和 Map 都在定义 java.util 中外，两者并没有直接的联系。

        Map接口的实现类有很多，其中HashMap就是比较重要的一个实现，本文就以HashMap为主重点介绍。

        HashMap是基于哈希表的 Map 接口的实现。此实现提供所有可选的映射操作，并允许使用 null 值和 null 键。（除了非同步和允许使用 null 之外，HashMap 类与 Hashtable 大致相同。）此类不保证映射的顺序，特别是它不保证该顺序恒久不变。

        HashMap结合了ArrayList与LinkedList两个实现的优点，，虽然HashMap并不会向List的两种实现那样在某项操作上性能较高，但是在基本操作（get 和 put）上具有稳定的性能。

        首先从成员变量开始一点点的来了解HashMap和上述几个概念。

        1.HashMap的成员变量：

/**
 * 初始默认容量（必须为2的幂次方）
 */
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;

/**
 * 最大容量,如果被指定为一个更高的值必须为2的幂次方，并且小于1073741824.(1<<30)
 */
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

/**
 * 默认负载因子/负载系数
 */
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

/**
 * 内部实现表, 必要时调整大小，其长度亦为2的幂次方
 */
transient Entry[] table;

/**
 * map中添加的元素个数
 */
transient int size;

/**
 * 扩容临界值，当size达到此值时进行扩容 (容量乘以负载因子).
 */
int threshold;

/**
 * 内部实现表的负载因子
 */
final float loadFactor;

/**
 * 操作数，可以理解为map实例被操作的次数，包括添加，删除等等
 */
transient volatile int modCount;

        HashMap其内部实现是一个Entry数组table，而Entry就是保存相应键值的实体。table数组默认大小为16，我们也可以在初始化时指定更大的值，但指定值必须为2的幂次方。

        通过对ArrayList的学习了解到ArrayList其内部实现也是数组，当被添加的元素超出数组的容纳极限时，ArrayList会对内部数组进行一次“扩容”，从而可以添加新的元素。

        在HashMap中也有类似的概念，HashMap并不会像ArrayList一样直到数组都满了的情况下才去“扩容”，而是根据负载因子（load factor）来进行判断。

        举例来说：HashMap实例中table数组的默认大小为16，负载因子为0.75，当添加元素个数大于等于12（16*0.75）时就会进行扩容。

        所以说容量和负载因子直接影响着table数组是否扩容，什么时机扩容，进而影响这HashMap实例的性能。

        当我们在初始化时可以指定HashMap实例的容量大小，当指定大小不为2的幂次方时，如下：

Map map=new HashMap(131);

        请问初始化完成HashMap内table的长度是多少？ 答案为：256

        其实只要打开HashMap的构造函数源代码就明白为什么了，以下为源代码：

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
    if (initialCapacity < 0)
        throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: "
                + initialCapacity);
    if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
        initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
    if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
        throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: "
                + loadFactor);

    // Find a power of 2 >= initialCapacity
    int capacity = 1;
    while (capacity < initialCapacity)
        capacity <<= 1;

    this.loadFactor = loadFactor;
    threshold = (int) (capacity * loadFactor);
    table = new Entry[capacity];
    init();
}

        关键在于这两行：

while (capacity < initialCapacity)
    capacity <<= 1;

        如果initialCapacity（指定大小）大于capacity（原或初始化大小）时，就会不断循环进行位移赋值计算，相当于capacity=capacity *2.直至capacity 大于或等于我们指定的大小。如果指定的大小正好为2的N次幂时两个值便会相等，进而终止计算；如果指定大小不符合条件时，capacity 就会是刚好大于指定大小的那个2的N次幂的数。

        所以，在上面我们指定大小为131，大于131并且为2的的N次幂的数就为256，所以此时就会按256来初始化table.

        2.Entry 元素

        与LinkedList类似，HashMap也是采用Entry内部类来存储实际元素信息，以下是Entry的源代码（省略部分代码）：

static class Entry<K, V> implements Map.Entry<K, V> {
    final K key;
    V value;
    Entry<K, V> next;
    final int hash;
}

        Entry中包括4个成员变量，其中key为键，value为值，next指向下一个节点元素，hash为hash值。Entry通过next属性可以寻找到下一个节点的元素，进而通过遍历就可以找到相应key下存储的信息。

        3.HashMap设置元素

        Map通过put方法来在Map实例中关联指定值与指定键。如果该实例已经包含了一个该键的映射关系，则旧值被替换。

        示例如下：

Map map = new HashMap();
map.put("user1", "小明");
map.put("user2", "小强");
map.put("user3", "小红");
System.out.println("user1:" + map.get("user1"));
System.out.println("user2:" + map.get("user2"));
System.out.println("user3:" + map.get("user3"));
map.put("user2", "小龙");
System.out.println("user1:" + map.get("user1"));
//打印结果
user1:小明
user2:小强
user3:小红
user1:小明

        首先，创建了一个HashMap的实例map，此时map实例中的table数组会默认初始化，创建一个长度为DEFAULT_INITIAL_CAPACITY=16的空数组。

        然后，调用put方法将一对键、值（key,value）保存。当已存在Map实例中已存在指定key的映射时，会将新指定的value覆盖原value。

        与LIst的相关实现add方法一样，HashMap的put方法是设置元素的入口，在put的过程中会进行一系列的判断与操作，所以只有将put方法理解透彻后HashMap的内部结构与机制才会更加清晰。

        HashMap进行put操作时按以下步骤执行：

        1）判断key是否为空，如果为空则调用设置null的专有方法。

        2）计算key的hash值。

        3）通过hash与table数组的长度计算出该元素所要放置的数组下标。

        4）遍历该下标下的Entry元素链，如果找到与指定key相同的Entry则直接替换该Entry的value值并返回。

        5）如果未找到则添加一个新元素至该下标下的元素链前端。

        以下是一张官网上对于put操作流程的描述图片，可以作为参考：

        以下是put方法的源代码，其中我已经加入了相关描述便于大家理解：

/**
 * 设置指定值
 */
public V put(K key, V value) {
    //1.首先判断key是否为null
    if (key == null)
        //如果为null则调用putForNullKey方法
        return putForNullKey(value);
    //2.计算key的hash值
    int hash = hash(key.hashCode());
    //3.根据计算后的hash值与table数组长度计算该key应放置到table数组的那个下标位置
    int i = indexFor(hash, table.length);
    //4.遍历该下标下的所有Entry，如果key已存在则覆盖该key所在Entry的value值
    for (Entry<K, V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
        Object k;
        if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
            V oldValue = e.value;
            e.value = value;
            e.recordAccess(this);
            return oldValue;
        }
    }

    modCount++;
    //5.如果该key不存在则新添加Entry元素至数组指定位置，并且该Entry作为此下标元素链的头部
    addEntry(hash, key, value, i);
    return null;
}

 

        4.HashMap内部结构

        通过对put方法的流程分析，我们基本已经了解HashMap其内部实现的机制与原理，那么来总结一下HashMap初始化及添加元素的过程（以默认值为例）：

        (1) 初始化HashMap实例，初始化其内部数组table：

this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;//0.75f
threshold = (int)(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);//16*0.75=12
table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];//16

        此时table被初始化创建，长度为16。

        (2) 当第一次put元素时，此时HashMap实例中并没有添加任何元素，所以put方法会直接调用addEntry方法：

Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);

        首先，会先获取该下标（bucketIndex）下原Entry信息，因为table并未设置任何值，所以此时e为null。

        然后，创建一个新的Entry实例，其next属性指向e，并将此实例赋值给table[bucketIndex]。

        (3) 当更新HashMap实例中已有key的value内容时：

for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
    Object k;
    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HashMap实例中已经put了该key则只需遍历找到该节点Entry，更新其value并返回，所以更新已有key的操作不会调用addEntry方法。

        (4) 此时HashMap实例的内部结构如下图所示：

        HashMap采用此种存储元素的方式是结合了ArrayList与LinkedList两者的优点，虽然单纯某项操作的性能上并不比二者之一高，但这种方式的好处就是存储与获取性能平稳，并不会出现剧烈波动的情况。

 

        5.HashMap获取元素

        既然已经了解了HashMap的内部结构已经设置元素时的相关操作步骤，那么获取元素其实也就比较容易理解了，首先根据指定的key去计算数组下标，然后遍历该下标下的Entry链，最后返回。

        以下是get方法的源代码，与put方法的基本流程大致相同：

/**
 * 返回指定key的value
 */
public V get(Object key) {
    // 1.判断可以是否为null
    if (key == null)
        return getForNullKey();
    // 2.计算key的hash值
    int hash = hash(key.hashCode());
    // 3.遍历table指定下标下的Entry链
    for (Entry<K, V> e = table[indexFor(hash, table.length)]; e != null; e = e.next) {
        Object k;
        // 4.如果找到则返回该Entry的value
        if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))
            return e.value;
    }
    // 5.未找到则返回null
    return null;
}

        6.HashMap移除元素

        HashMap实现了Map接口的remove方法，所以可以通过remove方法移除已经添加的元素：

Map map = new HashMap();
map.put("user1", "小明");
map.put("user2", "小强");
map.put("user3", "小红");
map.remove("user2");
System.out.println("user1:" + map.get("user1"));
System.out.println("user2:" + map.get("user2"));
System.out.println("user3:" + map.get("user3"));
//打印结果：
user1:小明
user2:null
user3:小红

        当主动调用remove方法时，会根据指定的key删除该节点元素。

        以下是remove方法的源代码：

/**
 * 删除指定key下内容
 */
public V remove(Object key) {
    Entry<K, V> e = removeEntryForKey(key);
    return (e == null ? null : e.value);
}

/**
 * 根据指定key删除元素
 */
final Entry<K, V> removeEntryForKey(Object key) {
    int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());
    int i = indexFor(hash, table.length);
    Entry<K, V> prev = table[i];
    Entry<K, V> e = prev;

    while (e != null) {
        Entry<K, V> next = e.next;
        Object k;
        if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
            modCount++;
            size--;
            if (prev == e)
                table[i] = next;
            else
                prev.next = next;
            e.recordRemoval(this);
            return e;
        }
        prev = e;
        e = next;
    }

    return e;
}

        remove方法调用了另一个方法removeEntryForKey，removeEntryForKey方法会循环遍历指定下标下所有Entry节点元素，如果该key存在则修改该节点前一个节点的next指向，从而达到把该Entry节点移除Entry链的目的。

        注意HashMap的remove操作一样不会引起“减容”操作，这样就不会影响性能。

 

        7.HashMap的遍历

        通常情况下Map的使用者清楚该Map实例中有那些key，通过get(key)方法就可以直接将所有元素取出，但某些情况下这种做法产生的代码将是一次性代码，无法共用。

        HashMap的遍历通常采用以下几种方式：

        1）通过entrySet()方法可以获取HashMap实例所有Entry的Set返回，所以通过entrySet方法返回并迭代可以获取所有Entry元素：

Map map = new HashMap();
map.put("user1", "小明");
map.put("user2", "小强");
map.put("user3", "小红");
Iterator iter = map.entrySet().iterator();
while (iter.hasNext()) {
    Map.Entry entry = (Map.Entry) iter.next();
    Object key = entry.getKey();
    Object value = entry.getValue();
    System.out.println("key:" + key + ";value:" + value);
    // 然后移除元素
    if (key.toString().equals("user1")) {
        iter.remove();
    } else if (key.toString().equals("user2")) {
        entry.setValue("小海");
    }

}
System.out.println(map.get("user1"));
System.out.println(map.get("user2"));
System.out.println(map.get("user3"));

// 打印结果：
key:user2;value:小强
key:user1;value:小明
key:user3;value:小红
null
小海
小红

        此种方式操作简单，代码量少，效率较高，且可以直接操作元素，是常用的手段之一。

        2）Map还提供了keySet方法，用于返回所有key的Set形式，然后迭代此Set再通过get方法就可以获取相应元素的value：

Map map = new HashMap();
map.put("user1", "小明");
map.put("user2", "小强");
map.put("user3", "小红");
Iterator iter = map.keySet().iterator();
while (iter.hasNext()) {
    Object key = iter.next();
    Object value = map.get(key);
    System.out.println("key:" + key + ";value:" + value);
    // 然后移除元素
    if (key.toString().equals("user1")) {
        iter.remove();
    }
}
System.out.println(map.get("user1"));
System.out.println(map.get("user2"));
System.out.println(map.get("user3"));

// 打印结果：
key:user2;value:小强
key:user1;value:小明
key:user3;value:小红
null
小强
小红

        此种方式先需要将所有key遍历后返回，再通过get方法来获取元素，如果单纯需要操作Map实例中的个别节点元素时效率尚可，如果需要大规模获取和修改时效率不如第一种。所以两种方式选择那种需要视情况而言，并没有绝对。

        3）通过values方法直接返回所有value：

Map map = new HashMap();
map.put("user1", "小明");
map.put("user2", "小强");
map.put("user3", "小红");
//转换成数组
String[] names= (String[]) map.values().toArray(new String[map.size()]);
for (String name : names){
    System.out.println(name);
}
//采用迭代
Collection nameArray =  map.values();

Iterator iter = nameArray.iterator();

while (iter.hasNext()) {

 String name=iter.next().toString();

 System.out.println(name);

}
// 打印结果：
小强
小明
小红

        此种方式简单明了，适用于直接获取所有value的情况，可以直接迭代或者转换成数组，当直接显示value的情况下比较适用。

        HashMap的基本结构及内部实现原理至此已经比较清晰，下一篇着重来了解下HashMap其内部几种算法的原理及相关性能。

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