面试题 HashMap 数据结构 实现原理
2016-07-02 19:42
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数据结构[/b]
HashMap的数据结构数据结构中有数组和链表来实现对数据的存储,但这两者基本上是两个极端。数组:数组存储区间是连续的,占用内存严重,故空间复杂的很大。但数组的二分查找时间复杂度小,为O(1);数组的特点是:寻址容易,插入和删除困难; 链表:链表存储区间离散,占用内存比较宽松,故空间复杂度很小,但时间复杂度很大,达O(N)。链表的特点是:寻址困难,插入和删除容易。 哈希表那么我们能不能综合两者的特性,做出一种寻址容易,插入删除也容易的数据结构?答案是肯定的,这就是我们要提起的哈希表。哈希表((Hash table)既满足了数据的查找方便,同时不占用太多的内容空间,使用也十分方便。哈希表有多种不同的实现方法,我接下来解释的是最常用的一种方法—— 拉链法,我们可以理解为“链表的数组” ,如图:
从上图我们可以发现哈希表是由【数组+链表】组成的,一个长度为16的数组中,每个元素存储的是一个链表的头结点。那么这些元素是按照什么样的规则存储到数组中呢?一般情况是通过【hash(key)%len】获得,也就是元素的key的哈希值对数组长度取模得到。比如上述哈希表中,12%16=12,28%16=12,108%16=12,140%16=12。所以12、28、108以及140都存储在数组下标为12的位置。HashMap也可以理解为其存储数据的容器就是一个【线性数组】。这可能让我们很不解,一个线性的数组怎么实现按键值对来存取数据呢?这里HashMap有做一些处理。首先HashMap里面实现一个静态内部类Entry,其重要的属性有 key , value, next。从属性key,value我们就能很明显的看出来Entry就是HashMap键值对实现的一个基础bean,我们上面说到HashMap的基础就是一个线性数组,这个数组就是Entry[],Map里面的内容都保存在Entry[]里面。/** The table, resized as necessary. Length MUST Always be a power of two. */transient Entry[] table;
存数据的逻辑
既然是线性数组,为什么能随机存取?这里HashMap用了一个小算法,大致是这样实现: //存储时:int hash = key.hashCode(); // 每个key的hash是一个固定的int值int index = hash % Entry[].length;// 去模运算,运算后的值肯定在0-length之间Entry[index] = value;// 以去模后的值为索引,把value存进去疑问:如果两个key通过hash%Entry[].length得到的index相同,会不会有覆盖的危险?这里HashMap里面用到链式数据结构的一个概念。上面我们提到过Entry类里面有一个next属性,作用是指向下一个Entry。打个比方, 第一个键值对A进来,通过计算其key的hash得到的index=0,记做:Entry[0] = A。一会后又进来一个键值对B,通过计算其index也等于0,现在怎么办?HashMap会这样做:B.next = A,Entry[0] = B。如果又进来C,index也等于0,那么C.next = B,Entry[0] = C;这样我们发现index=0的地方其实存取了A,B,C三个键值对,他们通过next这个属性链接在一起。 public V put(K key, V value) { if (key == null) return putForNullKey(value); //null总是放在数组的第一个链表中 int hash = hash(key.hashCode()); int i = indexFor(hash, table.length); //遍历链表 for (Entry<K, V> e = table[i]; e != null; e = e.next) { Object k; //如果key在链表中已存在,则替换为新value(不要误解为是用新的值把旧的值覆盖了!) if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) { V oldValue = e.value; e.value = value; e.recordAccess(this); return oldValue; } } modCount++; addEntry(hash, key, value, i); return null; } void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) { Entry<K, V> e = table[bucketIndex]; table[bucketIndex] = new Entry<K, V>(hash, key, value, e); //参数e, 是Entry.next //如果size超过threshold,则扩充table大小。再散列 if (size++ >= threshold) resize(2 * table.length); }当然HashMap里面也包含一些优化方面的实现,比如:Entry[]的长度一定后,随着map里面数据的越来越长,这样同一个index的链就会很长,会不会影响性能?HashMap里面设置一个因子,随着map的size越来越大,Entry[]会以一定的规则加长长度。
取数据的逻辑[/b]
//取值时:int hash = key.hashCode();int index = hash % Entry[].length;return Entry[index]; public V get(Object key) { if (key == null) return getForNullKey(); int hash = hash(key.hashCode()); //先定位到数组元素,再遍历该元素处的链表 for (Entry<K, V> e = table[indexFor(hash, table.length)]; e != null; e = e.next) { Object k; if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) return e.value; } return null; }
其他逻辑
null key的存取null key总是存放在Entry[]数组的第一个元素。 private V putForNullKey(V value) { for (Entry<K, V> e = table[0]; e != null; e = e.next) { if (e.key == null) { V oldValue = e.value; e.value = value; e.recordAccess(this); return oldValue; } } modCount++; addEntry(0, null, value, 0); return null; } private V getForNullKey() { for (Entry<K, V> e = table[0]; e != null; e = e.next) { if (e.key == null) return e.value; } return null; }确定数组index:hashcode % table.length取模HashMap存取时,都需要计算当前key应该对应Entry[]数组哪个元素,即计算数组下标;算法如下: /** Returns index for hash code h. */ static int indexFor(int h, int length) { return h & (length - 1); }按位取并,作用上相当于取模mod或者取余%。注意:不过的hashCode进行运算后的值可能相等,这意味着数组下标相同;但是,不要错误的理解为数组下标相同表示hashCode相同。初始大小 public HashMap(int initialCapacity, float 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();}注意初始大小并不是构造函数中的initialCapacity!而是 >= initialCapacity的2的n次幂!!!!!
解决hash冲突的方法
开放定址法(线性探测再散列,二次探测再散列,伪随机探测再散列)再哈希法链地址法建立一个公共溢出区Java中HashMap的解决办法是采用的链地址法。
再散列过程
当哈希表的容量超过默认容量时,必须调整table的大小。当容量已经达到最大可能值时,那么该方法就将容量调整到Integer.MAX_VALUE返回,这时,需要创建一张新表,将原表映射到新表中。 /** * Rehashes the contents of this map into a new array with a * larger capacity. This method is called automatically when the * number of keys in this map reaches its threshold. * * If current capacity is MAXIMUM_CAPACITY, this method does not * resize the map, but sets threshold to Integer.MAX_VALUE. * This has the effect of preventing future calls. * * @param newCapacity the new capacity, MUST be a power of two; * must be greater than current capacity unless current * capacity is MAXIMUM_CAPACITY (in which case value * is irrelevant). */ void resize(int newCapacity) { Entry[] oldTable = table; int oldCapacity = oldTable.length; if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) { threshold = Integer.MAX_VALUE; return; } Entry[] newTable = new Entry[newCapacity]; transfer(newTable); table = newTable; threshold = (int) (newCapacity * loadFactor); } /** * Transfers all entries from current table to newTable. */ void transfer(Entry[] newTable) { Entry[] src = table; int newCapacity = newTable.length; for (int j = 0; j < src.length; j++) { Entry<K, V> e = src[j]; if (e != null) { src[j] = null; do { Entry<K, V> next = e.next; //重新计算index int i = indexFor(e.hash, newCapacity); e.next = newTable[i]; newTable[i] = e; e = next; } while (e != null); } } }
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