Java 集合系列10之 HashMap详细介绍(源码解析)和使用示例

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概要

这一章，我们对HashMap进行学习。
我们先对HashMap有个整体认识，然后再学习它的源码，最后再通过实例来学会使用HashMap。内容包括：
第1部分 HashMap介绍
第2部分 HashMap数据结构
第3部分 HashMap源码解析(基于JDK1.6.0_45)
    第3.1部分 HashMap的“拉链法”相关内容
    第3.2部分 HashMap的构造函数
    第3.3部分 HashMap的主要对外接口
    第3.4部分 HashMap实现的Cloneable接口
    第3.5部分 HashMap实现的Serializable接口
第4部分 HashMap遍历方式
第5部分 HashMap示例

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第1部分 HashMap介绍

HashMap简介

HashMap 是一个散列表，它存储的内容是键值对(key-value)映射。
HashMap 继承于AbstractMap，实现了Map、Cloneable、java.io.Serializable接口。
HashMap 的实现不是同步的，这意味着它不是线程安全的。它的key、value都可以为null。此外，HashMap中的映射不是有序的。

HashMap 的实例有两个参数影响其性能：“初始容量” 和 “加载因子”。容量 是哈希表中桶的数量，初始容量 只是哈希表在创建时的容量。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。当哈希表中的条目数超出了加载因子与当前容量的乘积时，则要对该哈希表进行 rehash 操作（即重建内部数据结构），从而哈希表将具有大约两倍的桶数。
通常，默认加载因子是 0.75, 这是在时间和空间成本上寻求一种折衷。加载因子过高虽然减少了空间开销，但同时也增加了查询成本（在大多数 HashMap 类的操作中，包括 get 和 put 操作，都反映了这一点）。在设置初始容量时应该考虑到映射中所需的条目数及其加载因子，以便最大限度地减少 rehash 操作次数。如果初始容量大于最大条目数除以加载因子，则不会发生 rehash 操作。

HashMap的构造函数

HashMap共有4个构造函数,如下：

// 默认构造函数。
HashMap()

// 指定“容量大小”的构造函数
HashMap(int capacity)

// 指定“容量大小”和“加载因子”的构造函数
HashMap(int capacity, float loadFactor)

// 包含“子Map”的构造函数
HashMap(Map<? extends K, ? extends V> map)

HashMap的API

void                 clear()
Object               clone()
boolean              containsKey(Object key)
boolean              containsValue(Object value)
Set<Entry<K, V>>     entrySet()
V                    get(Object key)
boolean              isEmpty()
Set<K>               keySet()
V                    put(K key, V value)
void                 putAll(Map<? extends K, ? extends V> map)
V                    remove(Object key)
int                  size()
Collection<V>        values()

第2部分 HashMap数据结构

HashMap的继承关系

java.lang.Object
   ↳     java.util.AbstractMap<K, V>
         ↳     java.util.HashMap<K, V>

public class HashMap<K,V>
    extends AbstractMap<K,V>
    implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable { }

HashMap与Map关系如下图：

从图中可以看出： 
(01) HashMap继承于AbstractMap类，实现了Map接口。Map是"key-value键值对"接口，AbstractMap实现了"键值对"的通用函数接口。 
(02) HashMap是通过"拉链法"实现的哈希表。它包括几个重要的成员变量：table, size, threshold, loadFactor, modCount。
　　table是一个Entry[]数组类型，而Entry实际上就是一个单向链表。哈希表的"key-value键值对"都是存储在Entry数组中的。 
　　size是HashMap的大小，它是HashMap保存的键值对的数量。 
　　threshold是HashMap的阈值，用于判断是否需要调整HashMap的容量。threshold的值="容量*加载因子"，当HashMap中存储数据的数量达到threshold时，就需要将HashMap的容量加倍。
　　loadFactor就是加载因子。 
　　modCount是用来实现fail-fast机制的。

第3部分 HashMap源码解析(基于JDK1.6.0_45)

为了更了解HashMap的原理，下面对HashMap源码代码作出分析。
在阅读源码时，建议参考后面的说明来建立对HashMap的整体认识，这样更容易理解HashMap。

 

说明:

在详细介绍HashMap的代码之前，我们需要了解：HashMap就是一个散列表，它是通过“拉链法”解决哈希冲突的。
还需要再补充说明的一点是影响HashMap性能的有两个参数：初始容量(initialCapacity) 和加载因子(loadFactor)。容量 是哈希表中桶的数量，初始容量只是哈希表在创建时的容量。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。当哈希表中的条目数超出了加载因子与当前容量的乘积时，则要对该哈希表进行 rehash 操作（即重建内部数据结构），从而哈希表将具有大约两倍的桶数。

第3.1部分 HashMap的“拉链法”相关内容

3.1.1 HashMap数据存储数组

transient Entry[] table;

HashMap中的key-value都是存储在Entry数组中的。

3.1.2 数据节点Entry的数据结构

 

从中，我们可以看出 Entry 实际上就是一个单向链表。这也是为什么我们说HashMap是通过拉链法解决哈希冲突的。
Entry 实现了Map.Entry 接口，即实现getKey(), getValue(), setValue(V value), equals(Object o), hashCode()这些函数。这些都是基本的读取/修改key、value值的函数。

第3.2部分 HashMap的构造函数

HashMap共包括4个构造函数

 

第3.3部分 HashMap的主要对外接口

3.3.1 clear()

clear() 的作用是清空HashMap。它是通过将所有的元素设为null来实现的。

 

3.3.2 containsKey()

containsKey() 的作用是判断HashMap是否包含key。

public boolean containsKey(Object key) {
    return getEntry(key) != null;
}

containsKey() 首先通过getEntry(key)获取key对应的Entry，然后判断该Entry是否为null。
getEntry()的源码如下：

 

getEntry() 的作用就是返回“键为key”的键值对，它的实现源码中已经进行了说明。
这里需要强调的是：HashMap将“key为null”的元素都放在table的位置0处，即table[0]中；“key不为null”的放在table的其余位置！

3.3.3 containsValue()

containsValue() 的作用是判断HashMap是否包含“值为value”的元素。

 

从中，我们可以看出containsNullValue()分为两步进行处理：第一，若“value为null”，则调用containsNullValue()。第二，若“value不为null”，则查找HashMap中是否有值为value的节点。

containsNullValue() 的作用判断HashMap中是否包含“值为null”的元素。

 

3.3.4 entrySet()、values()、keySet()

它们3个的原理类似，这里以entrySet()为例来说明。
entrySet()的作用是返回“HashMap中所有Entry的集合”，它是一个集合。实现代码如下：

 

HashMap是通过拉链法实现的散列表。表现在HashMap包括许多的Entry，而每一个Entry本质上又是一个单向链表。那么HashMap遍历key-value键值对的时候，是如何逐个去遍历的呢？

下面我们就看看HashMap是如何通过entrySet()遍历的。
entrySet()实际上是通过newEntryIterator()实现的。 下面我们看看它的代码：

 

当我们通过entrySet()获取到的Iterator的next()方法去遍历HashMap时，实际上调用的是 nextEntry() 。而nextEntry()的实现方式，先遍历Entry(根据Entry在table中的序号，从小到大的遍历)；然后对每个Entry(即每个单向链表)，逐个遍历。

3.3.5 get()

get() 的作用是获取key对应的value，它的实现代码如下：

 

3.3.6 put()

put() 的作用是对外提供接口，让HashMap对象可以通过put()将“key-value”添加到HashMap中。

 

若要添加到HashMap中的键值对对应的key已经存在HashMap中，则找到该键值对；然后新的value取代旧的value，并退出！
若要添加到HashMap中的键值对对应的key不在HashMap中，则将其添加到该哈希值对应的链表中，并调用addEntry()。
下面看看addEntry()的代码：

 

addEntry() 的作用是新增Entry。将“key-value”插入指定位置，bucketIndex是位置索引。

说到addEntry()，就不得不说另一个函数createEntry()。createEntry()的代码如下：

 

它们的作用都是将key、value添加到HashMap中。而且，比较addEntry()和createEntry()的代码，我们发现addEntry()多了两句：

if (size++ >= threshold)
    resize(2 * table.length);

那它们的区别到底是什么呢？
阅读代码，我们可以发现，它们的使用情景不同。
(01) addEntry()一般用在 新增Entry可能导致“HashMap的实际容量”超过“阈值”的情况下。
       例如，我们新建一个HashMap，然后不断通过put()向HashMap中添加元素；put()是通过addEntry()新增Entry的。
       在这种情况下，我们不知道何时“HashMap的实际容量”会超过“阈值”；
       因此，需要调用addEntry()
(02) createEntry() 一般用在 新增Entry不会导致“HashMap的实际容量”超过“阈值”的情况下。
        例如，我们调用HashMap“带有Map”的构造函数，它绘将Map的全部元素添加到HashMap中；
       但在添加之前，我们已经计算好“HashMap的容量和阈值”。也就是，可以确定“即使将Map中的全部元素添加到HashMap中，都不会超过HashMap的阈值”。
       此时，调用createEntry()即可。

3.3.7 putAll()

putAll() 的作用是将"m"的全部元素都添加到HashMap中，它的代码如下：

 

3.3.8 remove()

remove() 的作用是删除“键为key”元素

 

第3.4部分 HashMap实现的Cloneable接口

HashMap实现了Cloneable接口，即实现了clone()方法。
clone()方法的作用很简单，就是克隆一个HashMap对象并返回。

 

第3.5部分 HashMap实现的Serializable接口

HashMap实现java.io.Serializable，分别实现了串行读取、写入功能。
串行写入函数是writeObject()，它的作用是将HashMap的“总的容量，实际容量，所有的Entry”都写入到输出流中。
而串行读取函数是readObject()，它的作用是将HashMap的“总的容量，实际容量，所有的Entry”依次读出

 

第4部分 HashMap遍历方式

4.1 遍历HashMap的键值对

第一步：根据entrySet()获取HashMap的“键值对”的Set集合。
第二步：通过Iterator迭代器遍历“第一步”得到的集合。

// 假设map是HashMap对象
// map中的key是String类型，value是Integer类型
Integer integ = null;
Iterator iter = map.entrySet().iterator();
while(iter.hasNext()) {
    Map.Entry entry = (Map.Entry)iter.next();
    // 获取key
    key = (String)entry.getKey();
        // 获取value
    integ = (Integer)entry.getValue();
}

4.2 遍历HashMap的键

第一步：根据keySet()获取HashMap的“键”的Set集合。
第二步：通过Iterator迭代器遍历“第一步”得到的集合。

// 假设map是HashMap对象
// map中的key是String类型，value是Integer类型
String key = null;
Integer integ = null;
Iterator iter = map.keySet().iterator();
while (iter.hasNext()) {
        // 获取key
    key = (String)iter.next();
        // 根据key，获取value
    integ = (Integer)map.get(key);
}

4.3 遍历HashMap的值

第一步：根据value()获取HashMap的“值”的集合。
第二步：通过Iterator迭代器遍历“第一步”得到的集合。

// 假设map是HashMap对象
// map中的key是String类型，value是Integer类型
Integer value = null;
Collection c = map.values();
Iterator iter= c.iterator();
while (iter.hasNext()) {
    value = (Integer)iter.next();
}

遍历测试程序如下：

 

第5部分 HashMap示例

下面通过一个实例学习如何使用HashMap

 

 (某一次)运行结果： 

map:{two=7, one=9, three=6}
next : two - 7
next : one - 9
next : three - 6
size:3
contains key two : true
contains key five : false
contains value 0 : false
map:{two=7, one=9}
map is empty