六,Java集合类(4)——HashMap实现原理
2016-09-19 15:32
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HashMap 的实现原理
HashMap 概述
HashMap 是基于哈希表的 Map 接口的非同步实现。此实现提供所有可选的映射操作,并允许使用 null 值和 null 键。此类不保证映射的顺序,特别是它不保证该顺序恒久不变。此实现假定哈希函数将元素适当地分布在各桶之间,可为基本操作(get 和 put)提供稳定的性能。迭代 collection 视图所需的时间与 HashMap 实例的“容量”(桶的数量)及其大小(键-值映射关系数)成比例。所以,如果迭代性能很重要,则不要将初始容量设置得太高或将加载因子设置得太低。也许大家开始对这段话有一点不太懂,不过不用担心,当你读完这篇文章后,就能深切理解这其中的含义了。
需要注意的是:Hashmap 不是同步的,如果多个线程同时访问一个 HashMap,而其中至少一个线程从结构上(指添加或者删除一个或多个映射关系的任何操作)修改了,则必须保持外部同步,以防止对映射进行意外的非同步访问。
HashMap 的数据结构
在 Java 编程语言中,最基本的结构就是两种,一个是数组,另外一个是指针(引用),HashMap 就是通过这两个数据结构进行实现。HashMap实际上是一个“链表散列”的数据结构,即数组和链表的结合体。![](http://i.imgur.com/i3Pvsx7.jpg)
从上图中可以看出,HashMap 底层就是一个数组结构,数组中的每一项又是一个链表。当新建一个 HashMap 的时候,就会初始化一个数组。
我们通过 JDK 中的 HashMap 源码进行一些学习,首先看一下构造函数:
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)Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1); table = new Entry[capacity]; useAltHashing = sun.misc.VM.isBooted() && (capacity >= Holder.ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD); init(); }
我们着重看一下第 18 行代码table = new Entry[capacity];。这不就是 Java 中数组的创建方式吗?也就是说在构造函数中,其创建了一个 Entry 的数组,其大小为 capacity(目前我们还不需要太了解该变量含义),那么 Entry 又是什么结构呢?看一下源码:
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> { final K key; V value; Entry<K,V> next; final int hash; …… }
我们目前还是只着重核心的部分,Entry 是一个 static class,其中包含了 key 和 value,也就是键值对,另外还包含了一个 next 的 Entry 指针。我们可以总结出:Entry 就是数组中的元素,每个 Entry 其实就是一个 key-value 对,它持有一个指向下一个元素的引用,这就构成了链表。
HashMap 的核心方法解读
存储
/** * Associates the specified value with the specified key in this map. * If the map previously contained a mapping for the key, the old * value is replaced. * * @param key key with which the specified value is to be associated * @param value value to be associated with the specified key * @return the previous value associated with <tt>key</tt>, or * <tt>null</tt> if there was no mapping for <tt>key</tt>. * (A <tt>null</tt> return can also indicate that the map * previously associated <tt>null</tt> with <tt>key</tt>.) */ public V put(K key, V value) { //其允许存放null的key和null的value,当其key为null时,调用putForNullKey方法,放入到table[0]的这个位置 if (key == null) return putForNullKey(value); //通过调用hash方法对key进行哈希,得到哈希之后的数值。该方法实现可以通过看源码,其目的是为了尽可能的让键值对可以分不到不同的桶中 int hash = hash(key); //根据上一步骤中求出的hash得到在数组中是索引i int i = indexFor(hash, table.length); //如果i处的Entry不为null,则通过其next指针不断遍历e元素的下一个元素。 for (Entry<K,V> e = table; 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++; addEntry(hash, key, value, i); return null; }
我们看一下方法的标准注释:在注释中首先提到了,当我们 put 的时候,如果 key 存在了,那么新的 value 会代替旧的 value,并且如果 key 存在的情况下,该方法返回的是旧的 value,如果 key 不存在,那么返回 null。
从上面的源代码中可以看出:当我们往 HashMap 中 put 元素的时候,先根据 key 的 hashCode 重新计算 hash 值,根据 hash 值得到这个元素在数组中的位置(即下标),如果数组该位置上已经存放有其他元素了,那么在这个位置上的元素将以链表的形式存放,新加入的放在链头,最先加入的放在链尾。如果数组该位置上没有元素,就直接将该元素放到此数组中的该位置上。
addEntry(hash, key, value, i)方法根据计算出的 hash 值,将 key-value 对放在数组 table 的 i 索引处。addEntry 是 HashMap 提供的一个包访问权限的方法,代码如下:
/** * Adds a new entry with the specified key, value and hash code to * the specified bucket. It is the responsibility of this * method to resize the table if appropriate. * * Subclass overrides this to alter the behavior of put method. */ void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) { if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) { resize(2 * table.length); hash = (null != key) ? hash(key) : 0; bucketIndex = indexFor(hash, table.length); } createEntry(hash, key, value, bucketIndex); } void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) { // 获取指定 bucketIndex 索引处的 Entry Entry
读取
/** * Returns the value to which the specified key is mapped, * or {@code null} if this map contains no mapping for the key. * * <p>More formally, if this map contains a mapping from a key * {@code k} to a value {@code v} such that {@code (key==null ? k==null : * key.equals(k))}, then this method returns {@code v}; otherwise * it returns {@code null}. (There can be at most one such mapping.) * * <p>A return value of {@code null} does not [i]necessarily * indicate that the map contains no mapping for the key; it's also 4000 * possible that the map explicitly maps the key to {@code null}. * The {@link #containsKey containsKey} operation may be used to * distinguish these two cases. * * @see #put(Object, Object) */ public V get(Object key) { if (key == null) return getForNullKey(); Entry<K,V> entry = getEntry(key); return null == entry ? null : entry.getValue(); } final Entry<K,V> getEntry(Object key) { int hash = (key == null) ? 0 : hash(key); 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 != null && key.equals(k)))) return e; } return null; }
有了上面存储时的 hash 算法作为基础,理解起来这段代码就很容易了。从上面的源代码中可以看出:从 HashMap 中 get 元素时,首先计算 key 的 hashCode,找到数组中对应位置的某一元素,然后通过 key 的 equals 方法在对应位置的链表中找到需要的元素。
归纳
简单地说,HashMap 在底层将 key-value 当成一个整体进行处理,这个整体就是一个 Entry 对象。HashMap 底层采用一个 Entry[] 数组来保存所有的 key-value 对,当需要存储一个 Entry 对象时,会根据 hash 算法来决定其在数组中的存储位置,在根据 equals 方法决定其在该数组位置上的链表中的存储位置;当需要取出一个Entry 时,也会根据 hash 算法找到其在数组中的存储位置,再根据 equals 方法从该位置上的链表中取出该Entry。HashMap 的 resize(rehash)
当 HashMap 中的元素越来越多的时候,hash 冲突的几率也就越来越高,因为数组的长度是固定的。所以为了提高查询的效率,就要对 HashMap 的数组进行扩容,数组扩容这个操作也会出现在 ArrayList 中,这是一个常用的操作,而在 HashMap 数组扩容之后,最消耗性能的点就出现了:原数组中的数据必须重新计算其在新数组中的位置,并放进去,这就是 resize。
那么 HashMap 什么时候进行扩容呢?当 HashMap 中的元素个数超过数组大小 *loadFactor时,就会进行数组扩容,loadFactor的默认值为 0.75,这是一个折中的取值。也就是说,默认情况下,数组大小为 16,那么当 HashMap 中元素个数超过 16*0.75=12 的时候,就把数组的大小扩展为 2*16=32,即扩大一倍,然后重新计算每个元素在数组中的位置,而这是一个非常消耗性能的操作,所以如果我们已经预知 HashMap 中元素的个数,那么预设元素的个数能够有效的提高 HashMap 的性能。
HashMap 的性能参数
HashMap 包含如下几个构造器:HashMap():构建一个初始容量为 16,负载因子为 0.75 的 HashMap。
ashMap(int initialCapacity):构建一个初始容量为 initialCapacity,负载因子为 0.75 的 HashMap。
HashMap(int initialCapacity, float loadFactor):以指定初始容量、指定的负载因子创建一个 HashMap。
HashMap 的基础构造器 HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) 带有两个参数,它们是初始容量 initialCapacity 和负载因子 loadFactor。
负载因子 loadFactor 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。
HashMap 的实现中,通过 threshold 字段来判断 HashMap 的最大容量:
threshold = (int)(capacity * loadFactor);
结合负载因子的定义公式可知,threshold 就是在此 loadFactor 和 capacity 对应下允许的最大元素数目,超过这个数目就重新 resize,以降低实际的负载因子。默认的的负载因子 0.75 是对空间和时间效率的一个平衡选择。当容量超出此最大容量时, resize 后的 HashMap 容量是容量的两倍:
Fail-Fast 机制
原理
我们知道 java.util.HashMap 不是线程安全的,因此如果在使用迭代器的过程中有其他线程修改了 map,那么将抛出 ConcurrentModificationException,这就是所谓 fail-fast 策略。ail-fast 机制是 java 集合(Collection)中的一种错误机制。 当多个线程对同一个集合的内容进行操作时,就可能会产生 fail-fast 事件。
例如:当某一个线程 A 通过 iterator去遍历某集合的过程中,若该集合的内容被其他线程所改变了;那么线程 A 访问集合时,就会抛出 ConcurrentModificationException 异常,产生 fail-fast 事件。
这一策略在源码中的实现是通过 modCount 域,modCount 顾名思义就是修改次数,对 HashMap 内容(当然不仅仅是 HashMap 才会有,其他例如 ArrayList 也会)的修改都将增加这个值(大家可以再回头看一下其源码,在很多操作中都有 modCount++ 这句),那么在迭代器初始化过程中会将这个值赋给迭代器的 expectedModCount。
HashIterator() { expectedModCount = modCount; if (size > 0) { // advance to first entry Entry[] t = table; while (index
解决方案
在上文中也提到,fail-fast 机制,是一种错误检测机制。它只能被用来检测错误,因为 JDK 并不保证 fail-fast 机制一定会发生。若在多线程环境下使用 fail-fast 机制的集合,建议使用“java.util.concurrent 包下的类”去取代“java.util 包下的类”。HashMap 的两种遍历方式
第一种
Map map = new HashMap(); Iterator iter = map.entrySet().iterator(); while (iter.hasNext()) { Map.Entry entry = (Map.Entry) iter.next(); Object key = entry.getKey(); Object val = entry.getValue(); }
效率高,以后一定要使用此种方式!
第二种
Map map = new HashMap(); Iterator iter = map.keySet().iterator(); while (iter.hasNext()) { Object key = iter.next(); Object val = map.get(key); }
效率低,以后尽量少使用!
转载自http://wiki.jikexueyuan.com/project/java-collection/hashmap.html
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