Java 集合框架 HashSet 和 HashMap 源码剖析

总体介绍

之所以把HashSet和HashMap放在一起讲解，是因为二者在Java里有着相同的实现，前者仅仅是对后者做了一层包装，也就是说HashSet里面有一个HashMap（适配器模式）。因此本文将重点分析HashMap。HashMap实现了Map接口，允许放入

null

元素，除该类未实现同步外，其余跟

Hashtable

大致相同，跟TreeMap不同，该容器不保证元素顺序，根据需要该容器可能会对元素重新哈希，元素的顺序也会被重新打散，因此不同时间迭代同一个HashMap的顺序可能会不同。根据对冲突的处理方式不同，哈希表有两种实现方式，一种开放地址方式（Open addressing），另一种是冲突链表方式（Separate chaining with linked lists）。Java HashMap采用的是冲突链表方式。

从上图容易看出，如果选择合适的哈希函数，

put()

和

get()

方法可以在常数时间内完成。但在对HashMap进行迭代时，需要遍历整个table以及后面跟的冲突链表。因此对于迭代比较频繁的场景，不宜将HashMap的初始大小设的过大。有两个参数可以影响HashMap的性能：初始容量（inital capacity）和负载系数（load factor）。初始容量指定了初始

table

的大小，负载系数用来指定自动扩容的临界值。当

entry

的数量超过

capacity*load_factor

时，容器将自动扩容并重新哈希。对于插入元素较多的场景，将初始容量设大可以减少重新哈希的次数。将对向放入到HashMap或HashSet中时，有两个方法需要特别关心：

hashCode()

和

equals()

。

hashCode()

方法决定了对象会被放到哪个

bucket

里，当多个对象的哈希值冲突时，

equals()

方法决定了这些对象是否是“同一个对象”。所以，如果要将自定义的对象放入到

HashMap

或

HashSet

中，需要@Override 

hashCode()

和

equals()

方法。

方法剖析

get()

get(Object key)

方法根据指定的

key

值返回对应的

value

，该方法调用了

getEntry(Object key)

得到相应的

entry

，然后返回

entry.getValue()

。因此

getEntry()

是算法的核心。算法思想是首先通过

hash()

函数得到对应

bucket

的下标，然后依次遍历冲突链表，通过

key.equals(k)

方法来判断是否是要找的那个

entry

。

上图中

hash(k)&(table.length-1)

等价于

hash(k)%table.length

，原因是HashMap要求

table.length

必须是2的指数，因此

table.length-1

就是二进制低位全是1，跟

hash(k)

相与会将哈希值的高位全抹掉，剩下的就是余数了。

//getEntry()方法
final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
......
int hash = (key == null) ? 0 : hash
d451
(key);
for (Entry<K,V> e = table[hash&(table.length-1)];//得到冲突链表
e != null; e = e.next) {//依次遍历冲突链表中的每个entry
Object k;
//依据equals()方法判断是否相等
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
}
return null;
}

put()

put(K key, V value)

方法是将指定的

key, value

对添加到

map

里。该方法首先会对

map

做一次查找，看是否包含该元组，如果已经包含则直接返回，查找过程类似于

getEntry()

方法；如果没有找到，则会通过

addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex)

方法插入新的

entry

，插入方式为头插法。

//addEntry()
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
resize(2 * table.length);//自动扩容，并重新哈希
hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
bucketIndex = hash & (table.length-1);//hash%table.length
}
//在冲突链表头部插入新的entry
Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
size++;
}

remove()

remove(Object key)

的作用是删除

key

值对应的

entry

，该方法的具体逻辑是在

removeEntryForKey(Object key)

里实现的。

removeEntryForKey()

方法会首先找到

key

值对应的

entry

，然后删除该

entry

（修改链表的相应指针）。查找过程跟

getEntry()

过程类似。

//removeEntryForKey()
final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {
......
int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
int i = indexFor(hash, table.length);//hash&(table.length-1)
Entry<K,V> prev = table[i];//得到冲突链表
Entry<K,V> e = prev;
while (e != null) {//遍历冲突链表
Entry<K,V> next = e.next;
Object k;
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {//找到要删除的entry
modCount++; size--;
if (prev == e) table[i] = next;//删除的是冲突链表的第一个entry
else prev.next = next;
return e;
}
prev = e; e = next;
}
return e;
}

HashSet

前面已经说过HashSet是对HashMap的简单包装，对HashSet的函数调用都会转换成合适的HashMap方法，因此HashSet的实现非常简单，只有不到300行代码。这里不再赘述。

//HashSet是对HashMap的简单包装
public class HashSet<E>
{
......
private transient HashMap<E,Object> map;//HashSet里面有一个HashMap
// Dummy value to associate with an Object in the backing Map
private static final Object PRESENT = new Object();
public HashSet() {
map = new HashMap<>();
}
......
public boolean add(E e) {//简单的方法转换
return map.put(e, PRESENT)==null;
}
......
}