Java进阶之HashMap工作原理(旧)

1 参考链接

HashMap的工作原理

HashMap对HashCode碰撞的处理

并发读写缓存实现机制(一)：为什么ConcurrentHashMap可以这么快？

2 HashMap简介

2.1 HashMap是什么

HashMap基于哈希表的Map接口的实现,此实现提供所有可选的Map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。

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（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(.75)在时间和空间成本上寻求一种折衷。加载因子过高虽然减小了空间开销，但是同时也增加了查询成本。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。

如果很多映射关系要存储到HashMap实例中，则相对于按需执行自动的rehash操作以增大表的容量来说，使用足够大的初始化容量创建它将使得映射关系能够更有效的存储。

注意，此实现不是同步。如果多个线程同时访问同一个HashMap，而其中至少一个线程从结构上修改了该映射（增删映射关系），则它必须保持外部同步。这一般通过对自然封装该映射的对象进行同步操作来完成。如果不存在这样的对象，则应该使用Collections.synchronizedMap方法来“包装”该映射。最好在创建时完成这一操作，防止对映射进行意外的非同步访问。

2.2 HashMap的存储结构

由下图可以看出哈希表是一个数组+链表的存储结构。HashMap存储结构文字解释：

元素0 →[hashCode=1,Entry<K,V>]

元素1 →[hashCode=2,Entry<K,V>]

2.3 HashTable是什么

哈希表（Hashtable）又称为“散置”，Hashtable是会根据索引键的哈希程序代码组织成的索引键（Key）和值（Value）配对的集合Hashtable对象是由包含集合中元素的哈希桶（Bucket）所组成的。而Bucket是Hashtable内元素的虚拟子群组，可以让大部分集合中的搜寻和获取工作更容易、更快速。

2.4 HashMap和HashTable的区别

2.4.1 主要区别

（1）HashMap是非线程同步的，HashTable是线程同步的。

（2）HashMap允许null作为键或者值，HashTable不允许

（3）HashMap去掉了contains方法，HashTable中有此方法，

（4）效率上来讲，HashMap因为是非线程安全的，因此效率比HashTable高

2.4.2 源码对比

// 从定义上看，hashTable继承Dictionary，而HashMap继承Abstract
public class HashMap<K,V>
extends AbstractMap<K,V>
implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable

public class Hashtable<K,V>
extends Dictionary<K,V>
implements Map<K,V>, Cloneable, java.io.Serializable

// hashMap的put、get方法源码：
public V put(K key, V value) {
if (key == null)
return putForNullKey(value);

}

// hashTable的put（）、get（）方法源码：
public synchronized V put(K key, V value) {
// Make sure the value is not null
if (value == null) {
throw new NullPointerException();
}

}

从源码中可以看出hashTable实现了synchronized，并不允许null作为键值。

3 HashMap对HashCode碰撞的处理

3.1 拉链法解决冲突

拉链法解决冲突的做法：HashCode是使用Key通过Hash函数计算出来的，由于不同的Key，通过此Hash函数可能会算的同样的HashCode，所以此时用了拉链法解决冲突，把HashCode相同的Value连成链表. 但是get的时候根据Key又去桶里找，如果是链表说明是冲突的，此时还需要检测Key是否相同。

3.2 详细解析

详细解释下，Java中HashMap是利用“拉链法”处理HashCode的碰撞问题。在调用HashMap的put方法或get方法时，都会首先调用hashcode方法，去查找相关的key，当有冲突时，再调用equals方法。hashMap基于hasing原理，我们通过put和get方法存取对象。当我们将键值对传递给put方法时，他调用键对象的hashCode()方法来计算hashCode，然后找到bucket（哈希桶）位置来存储对象。当获取对象时，通过键对象的equals()方法找到正确的键值对，然后返回值对象。HashMap使用链表来解决碰撞问题，当碰撞发生了，对象将会存储在链表的下一个节点中。hashMap在每个链表节点存储键值对对象。当两个不同的键却有相同的hashCode时，他们会存储在同一个bucket位置的链表中。键对象的equals()来找到键值对。HashMap的put和get方法源码如下：

/**
* Returns the value to which the specified key is mapped,
* or if this map contains no mapping for the key.
*
* 获取key对应的value
*/
public V get(Object key) {
if (key == null)
return getForNullKey();
//获取key的hash值
int hash = hash(key.hashCode());
// 在“该hash值对应的链表”上查找“键值等于key”的元素
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;
}

/**
* Offloaded version of get() to look up null keys.  Null keys map
* to index 0.
* 获取key为null的键值对，HashMap将此键值对存储到table[0]的位置
*/
private V getForNullKey() {
for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
if (e.key == null)
return e.value;
}
return null;
}

/**
* Returns <tt>true</tt> if this map contains a mapping for the
* specified key.
*
* HashMap是否包含key
*/
public boolean containsKey(Object key) {
return getEntry(key) != null;
}

/**
* Returns the entry associated with the specified key in the
* HashMap.
* 返回键为key的键值对
*/
final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
//先获取哈希值。如果key为null，hash = 0；这是因为key为null的键值对存储在table[0]的位置。
int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());
//在该哈希值对应的链表上查找键值与key相等的元素。
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;
}

/**
* 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.
*
* 将“key-value”添加到HashMap中，如果hashMap中包含了key，那么原来的值将会被新值取代
*/
public V put(K key, V value) {
//如果key是null，那么调用putForNullKey(),将该键值对添加到table[0]中
if (key == null)
return putForNullKey(value);
//如果key不为null，则计算key的哈希值，然后将其添加到哈希值对应的链表中
//hash值可以说hashcode()返回的是分配存储区域的地址，hash运算也是为了散列表分布更加均匀。
int hash = hash(key.hashCode());
int i = indexFor(hash, table.length);
for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
Object k;
//如果这个key对应的键值对已经存在，就用新的value代替老的value。
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;
}

4 关于hashMap的其他问题

（1）为什么String, Interger这样的wrapper类适合作为键？

HashMap的键尽量使用String、Integer这样的包装类。因为String是不可变的，也是final的，而且已经重写了equals()和hashCode()方法了。其他的包装类也有这个特点。不可变性是必要的，因为为了要计算hashCode()，就要防止键值改变，如果键值在放入时和获取时返回不同的hashcode的话，那么就不能从HashMap中找到你想要的对象。不可变性还有其他的优点如线程安全。如果你可以仅仅通过将某个field声明成final就能保证hashCode是不变的，那么请这么做吧。因为获取对象的时候要用到equals()和hashCode()方法，那么键对象正确的重写这两个方法是非常重要的。如果两个不相等的对象返回不同的hashcode的话，那么碰撞的几率就会小些，这样就能提高HashMap的性能。

（2）我们可以使用自定义的对象作为键吗？

我们可以利用自己的对象作为键，只要它遵守了equals()和hashCode()方法的定义规则。

（3）我们可以使用CocurrentHashMap来代替Hashtable吗？

我们知道Hashtable是synchronized的，但是ConcurrentHashMap同步性能更好，因为它仅仅根据同步级别对map的一部分进行上锁。ConcurrentHashMap当然可以代替HashTable，但是HashTable提供更强的线程安全性。

（4）多线程条件下，重调整hashMap大小会出现什么问题？

当重新调整HashMap大小的时候，确实存在条件竞争，因为如果两个线程都发现HashMap需要重新调整大小了，它们会同时试着调整大小。在调整大小的过程中，存储在链表中的元素的次序会反过来，因为移动到新的bucket位置的时候，HashMap并不会将元素放在链表的尾部，而是放在头部，这是为了避免尾部遍历(tail traversing)。如果条件竞争发生了，那么就死循环了。

5 总结

HashMap的工作原理：

HashMap基于hashing原理，我们通过put()和get()方法储存和获取对象。当我们将键值对传递给put()方法时，它调用键对象的hashCode()方法来计算hashcode，让后找到bucket位置来储存值对象。当获取对象时，通过键对象的equals()方法找到正确的键值对，然后返回值对象。HashMap使用链表（拉链法）来解决hashCode碰撞问题，当发生碰撞了，对象将会储存在链表的下一个节点中。 HashMap在每个链表节点中储存键值对对象。如果两个不同的键对象的hashCode相同，那么它们会储存在同一个bucket位置的链表中。键对象的equals()方法用来找到键值对。由于HashMap的种种好处，我们经常可以利用hashMap作为缓存。