HashMap实现原理及源码分析

超、凢脫俗 2021-09-18 12:54 421阅读 0赞

哈希表（hash table）也叫散列表，是一种非常重要的数据结构，应用场景及其丰富，许多缓存技术（比如memcached）的核心其实就是在内存中维护一张大的哈希表，而HashMap的实现原理也常常出现在各类的面试题中，重要性可见一斑。本文会对java集合框架中的对应实现HashMap的实现原理进行讲解，然后会对JDK7的HashMap源码进行分析。

**目录**

**　　一、[什么是哈希表][Link 1]**

**　　二、[HashMap实现原理][HashMap]**

**　　三、[为何HashMap的数组长度一定是2的次幂？][HashMap_2]**

**　　四、[重写equals方法需同时重写hashCode方法][equals_hashCode]**

**　　五、[总结][Link 2]**

# 一、什么是哈希表 #

在讨论哈希表之前，我们先大概了解下其他数据结构在新增，查找等基础操作执行性能

**数组**：采用一段连续的存储单元来存储数据。对于指定下标的查找，时间复杂度为O(1)；通过给定值进行查找，需要遍历数组，逐一比对给定关键字和数组元素，时间复杂度为O(n)，当然，对于有序数组，则可采用二分查找，插值查找，斐波那契查找等方式，可将查找复杂度提高为O(logn)；对于一般的插入删除操作，涉及到数组元素的移动，其平均复杂度也为O(n)

**线性链表**：对于链表的新增，删除等操作（在找到指定操作位置后），仅需处理结点间的引用即可，时间复杂度为O(1)，而查找操作需要遍历链表逐一进行比对，复杂度为O(n)

**二叉树**：对一棵相对平衡的有序二叉树，对其进行插入，查找，删除等操作，平均复杂度均为O(logn)。

**哈希表**：相比上述几种数据结构，在哈希表中进行添加，删除，查找等操作，性能十分之高，不考虑哈希冲突的情况下，仅需一次定位即可完成，时间复杂度为O(1)，接下来我们就来看看哈希表是如何实现达到惊艳的常数阶O(1)的。

我们知道，数据结构的物理存储结构只有两种：**顺序存储结构**和**链式存储结构**（像栈，队列，树，图等是从逻辑结构去抽象的，映射到内存中，也这两种物理组织形式），而在上面我们提到过，在数组中根据下标查找某个元素，一次定位就可以达到，哈希表利用了这种特性，**哈希表的主干就是数组**。

比如我们要新增或查找某个元素，我们通过把当前元素的关键字 通过某个函数映射到数组中的某个位置，通过数组下标一次定位就可完成操作。

**存储位置 = f(关键字)**

**　**　其中，这个函数f一般称为**哈希函数**，这个函数的设计好坏会直接影响到哈希表的优劣。举个例子，比如我们要在哈希表中执行插入操作：

![1024555-20161113180447499-1953916974.png][]

查找操作同理，先通过哈希函数计算出实际存储地址，然后从数组中对应地址取出即可。

**哈希冲突**

然而万事无完美，如果两个不同的元素，通过哈希函数得出的实际存储地址相同怎么办？也就是说，当我们对某个元素进行哈希运算，得到一个存储地址，然后要进行插入的时候，发现已经被其他元素占用了，其实这就是所谓的**哈希冲突**，也叫哈希碰撞。前面我们提到过，哈希函数的设计至关重要，好的哈希函数会尽可能地保证 **计算简单**和**散列地址分布均匀,**但是，我们需要清楚的是，数组是一块连续的固定长度的内存空间，再好的哈希函数也不能保证得到的存储地址绝对不发生冲突。那么哈希冲突如何解决呢？哈希冲突的解决方案有多种:开放定址法（发生冲突，继续寻找下一块未被占用的存储地址），再散列函数法，链地址法，而HashMap即是采用了链地址法，也就是**数组+链表**的方式，

# 二、HashMap实现原理 #

HashMap的主干是一个Entry数组。Entry是HashMap的基本组成单元，每一个Entry包含一个key-value键值对。

//HashMap的主干数组，可以看到就是一个Entry数组，初始值为空数组{}，主干数组的长度一定是2的次幂，至于为什么这么做，后面会有详细分析。
    transient Entry<K,V>[] table = (Entry<K,V>[]) EMPTY_TABLE;

Entry是HashMap中的一个静态内部类。代码如下

static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
            final K key;
            V value;
            Entry<K,V> next;//存储指向下一个Entry的引用，单链表结构
            int hash;//对key的hashcode值进行hash运算后得到的值，存储在Entry，避免重复计算
    
            /**
             * Creates new entry.
             */
            Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
                value = v;
                next = n;
                key = k;
                hash = h;
            }

所以，HashMap的整体结构如下

![1024555-20161113235348670-746615111.png][]

**简单来说，HashMap由数组+链表组成的，数组是HashMap的主体，链表则是主要为了解决哈希冲突而存在的，如果定位到的数组位置不含链表（当前entry的next指向null）,那么对于查找，添加等操作很快，仅需一次寻址即可；如果定位到的数组包含链表，对于添加操作，其时间复杂度为O(n)，首先遍历链表，存在即覆盖，否则新增；对于查找操作来讲，仍需遍历链表，然后通过key对象的equals方法逐一比对查找。所以，性能考虑，HashMap中的链表出现越少，性能才会越好。**

其他几个重要字段

//实际存储的key-value键值对的个数
    transient int size;
    //阈值，当table == {}时，该值为初始容量（初始容量默认为16）；当table被填充了，也就是为table分配内存空间后，threshold一般为 capacity*loadFactory。HashMap在进行扩容时需要参考threshold，后面会详细谈到
    int threshold;
    //负载因子，代表了table的填充度有多少，默认是0.75
    final float loadFactor;
    //用于快速失败，由于HashMap非线程安全，在对HashMap进行迭代时，如果期间其他线程的参与导致HashMap的结构发生变化了（比如put，remove等操作），需要抛出异常ConcurrentModificationException
    transient int modCount;

HashMap有4个构造器，其他构造器如果用户没有传入initialCapacity 和loadFactor这两个参数，会使用默认值

initialCapacity默认为16，loadFactory默认为0.75

我们看下其中一个

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
    　　　　　//此处对传入的初始容量进行校验，最大不能超过MAXIMUM_CAPACITY = 1<<30(230)
            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);
    
            this.loadFactor = loadFactor;
            threshold = initialCapacity;
    　　　　　
            init();//init方法在HashMap中没有实际实现，不过在其子类如 linkedHashMap中就会有对应实现
        }

从上面这段代码我们可以看出，**在常规构造器中，没有为数组table分配内存空间（有一个入参为指定Map的构造器例外），而是在执行put操作的时候才真正构建table数组**

OK,接下来我们来看看put操作的实现吧

先来看看inflateTable这个方法

private void inflateTable(int toSize) {
            int capacity = roundUpToPowerOf2(toSize);//capacity一定是2的次幂
            threshold = (int) Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);//此处为threshold赋值，取capacity*loadFactor和MAXIMUM_CAPACITY+1的最小值，capaticy一定不会超过MAXIMUM_CAPACITY，除非loadFactor大于1
            table = new Entry[capacity];
            initHashSeedAsNeeded(capacity);
        }

inflateTable这个方法用于为主干数组table在内存中分配存储空间，通过roundUpToPowerOf2(toSize)可以确保capacity为大于或等于toSize的最接近toSize的二次幂，比如toSize=13,则capacity=16;to\_size=16,capacity=16;to\_size=17,capacity=32.

roundUpToPowerOf2中的这段处理使得数组长度一定为2的次幂，Integer.highestOneBit是用来获取最左边的bit（其他bit位为0）所代表的数值.

hash函数

以上hash函数计算出的值，通过indexFor进一步处理来获取实际的存储位置

h&（length-1）保证获取的index一定在数组范围内，举个例子，默认容量16，length-1=15，h=18,转换成二进制计算为

1  0  0  1  0
        &   0  1  1  1  1
        __________________
            0  0  0  1  0    = 2

最终计算出的index=2。有些版本的对于此处的计算会使用 取模运算，也能保证index一定在数组范围内，不过位运算对计算机来说，性能更高一些（HashMap中有大量位运算）

所以最终存储位置的确定流程是这样的：

![1024555-20161115133556388-1098209938.png][]

再来看看addEntry的实现：

1  0  0  1  0
        &   0  1  1  1  1
        __________________
            0  0  0  1  0    = 2

通过以上代码能够得知，当发生哈希冲突并且size大于阈值的时候，需要进行数组扩容，扩容时，需要新建一个长度为之前数组2倍的新的数组，然后将当前的Entry数组中的元素全部传输过去，扩容后的新数组长度为之前的2倍，所以扩容相对来说是个耗资源的操作。

# 三、为何HashMap的数组长度一定是2的次幂？ #

我们来继续看上面提到的resize方法

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, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));
            table = newTable;
            threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
        }

如果数组进行扩容，数组长度发生变化，而存储位置 index = h&(length-1),index也可能会发生变化，需要重新计算index，我们先来看看transfer这个方法

void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
            int newCapacity = newTable.length;
    　　　　　//for循环中的代码，逐个遍历链表，重新计算索引位置，将老数组数据复制到新数组中去（数组不存储实际数据，所以仅仅是拷贝引用而已）
            for (Entry<K,V> e : table) {
                while(null != e) {
                    Entry<K,V> next = e.next;
                    if (rehash) {
                        e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
                    }
                    int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
    　　　　　　　　　 //将当前entry的next链指向新的索引位置,newTable[i]有可能为空，有可能也是个entry链，如果是entry链，直接在链表头部插入。
                    e.next = newTable[i];
                    newTable[i] = e;
                    e = next;
                }
            }
        }

这个方法将老数组中的数据逐个链表地遍历，扔到新的扩容后的数组中，我们的数组索引位置的计算是通过 对key值的hashcode进行hash扰乱运算后，再通过和 length-1进行位运算得到最终数组索引位置。

hashMap的数组长度一定保持2的次幂，比如16的二进制表示为 10000，那么length-1就是15，二进制为01111，同理扩容后的数组长度为32，二进制表示为100000，length-1为31，二进制表示为011111。从下图可以我们也能看到这样会保证低位全为1，而扩容后只有一位差异，也就是多出了最左位的1，这样在通过 h&(length-1)的时候，只要h对应的最左边的那一个差异位为0，就能保证得到的新的数组索引和老数组索引一致(大大减少了之前已经散列良好的老数组的数据位置重新调换)，个人理解。

![1024555-20161115215812138-679881037.png][]

还有，数组长度保持2的次幂，length-1的低位都为1，会使得获得的数组索引index更加均匀，比如：

![1024555-20161116001404732-625340289.png][]

我们看到，上面的&运算，高位是不会对结果产生影响的（hash函数采用各种位运算可能也是为了使得低位更加散列），我们只关注低位bit，如果低位全部为1，那么对于h低位部分来说，任何一位的变化都会对结果产生影响，也就是说，要得到index=21这个存储位置，h的低位只有这一种组合。这也是数组长度设计为必须为2的次幂的原因。

![1024555-20161116001717560-1455096254.png][]

如果不是2的次幂，也就是低位不是全为1此时，要使得index=21，h的低位部分不再具有唯一性了，哈希冲突的几率会变的更大，同时，index对应的这个bit位无论如何不会等于1了，而对应的那些数组位置也就被白白浪费了。

get方法

public V get(Object key) {
    　　　　 //如果key为null,则直接去table[0]处去检索即可。
            if (key == null)
                return getForNullKey();
            Entry<K,V> entry = getEntry(key);
            return null == entry ? null : entry.getValue();
     }

get方法通过key值返回对应value，如果key为null，直接去table\[0\]处检索。我们再看一下getEntry这个方法

final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
                
            if (size == 0) {
                return null;
            }
            //通过key的hashcode值计算hash值
            int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
            //indexFor (hash&length-1) 获取最终数组索引，然后遍历链表，通过equals方法比对找出对应记录
            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;
        }

可以看出，get方法的实现相对简单，key(hashcode)-->hash-->indexFor-->最终索引位置，找到对应位置table\[i\]，再查看是否有链表，遍历链表，通过key的equals方法比对查找对应的记录。要注意的是，有人觉得上面在定位到数组位置之后然后遍历链表的时候，e.hash == hash这个判断没必要，仅通过equals判断就可以。其实不然，试想一下，如果传入的key对象重写了equals方法却没有重写hashCode，而恰巧此对象定位到这个数组位置，如果仅仅用equals判断可能是相等的，但其hashCode和当前对象不一致，这种情况，根据Object的hashCode的约定，不能返回当前对象，而应该返回null，后面的例子会做出进一步解释。

# 四、重写equals方法需同时重写hashCode方法 #

关于HashMap的源码分析就介绍到这儿了，最后我们再聊聊老生常谈的一个问题，各种资料上都会提到，“重写equals时也要同时覆盖hashcode”，我们举个小例子来看看，如果重写了equals而不重写hashcode会发生什么样的问题

/**
     * Created by chengxiao on 2016/11/15.
     */
    public class MyTest {
        private static class Person{
            int idCard;
            String name;
    
            public Person(int idCard, String name) {
                this.idCard = idCard;
                this.name = name;
            }
            @Override
            public boolean equals(Object o) {
                if (this == o) {
                    return true;
                }
                if (o == null || getClass() != o.getClass()){
                    return false;
                }
                Person person = (Person) o;
                //两个对象是否等值，通过idCard来确定
                return this.idCard == person.idCard;
            }
    
        }
        public static void main(String []args){
            HashMap<Person,String> map = new HashMap<Person, String>();
            Person person = new Person(1234,"乔峰");
            //put到hashmap中去
            map.put(person,"天龙八部");
            //get取出，从逻辑上讲应该能输出“天龙八部”
            System.out.println("结果:"+map.get(new Person(1234,"萧峰")));
        }
    }

实际输出结果：

结果：null

如果我们已经对HashMap的原理有了一定了解，这个结果就不难理解了。尽管我们在进行get和put操作的时候，使用的key从逻辑上讲是等值的（通过equals比较是相等的），但由于没有重写hashCode方法，所以put操作时，key(hashcode1)-->hash-->indexFor-->最终索引位置 ，而通过key取出value的时候 key(hashcode1)-->hash-->indexFor-->最终索引位置，由于hashcode1不等于hashcode2，导致没有定位到一个数组位置而返回逻辑上错误的值null（也有可能碰巧定位到一个数组位置，但是也会判断其entry的hash值是否相等，上面get方法中有提到。）

所以，在重写equals的方法的时候，必须注意重写hashCode方法，同时还要保证通过equals判断相等的两个对象，调用hashCode方法要返回同样的整数值。而如果equals判断不相等的两个对象，其hashCode可以相同（只不过会发生哈希冲突，应尽量避免）。

# 五、总结 #

本文描述了HashMap的实现原理，并结合源码做了进一步的分析，也涉及到一些源码细节设计缘由，最后简单介绍了为什么重写equals的时候需要重写hashCode方法。希望本篇文章能帮助到大家，同时也欢迎讨论指正，谢谢支持！

作者： [dreamcatcher-cx][]

出处： [<http://www.cnblogs.com/chengxiao/>][dreamcatcher-cx]

原文链接：[https://www.cnblogs.com/chengxiao/p/6059914.html][https_www.cnblogs.com_chengxiao_p_6059914.html]

[Link 1]: https://www.cnblogs.com/chengxiao/p/6059914.html#t1
[HashMap]: https://www.cnblogs.com/chengxiao/p/6059914.html#t2
[HashMap_2]: https://www.cnblogs.com/chengxiao/p/6059914.html#t3
[equals_hashCode]: https://www.cnblogs.com/chengxiao/p/6059914.html#t4
[Link 2]: https://www.cnblogs.com/chengxiao/p/6059914.html#t5
[1024555-20161113180447499-1953916974.png]: /images/20210724/e64d3d25ca654e72945a9485b4e085be.png
[1024555-20161113235348670-746615111.png]: /images/20210724/a1fe5264a2454cdf844b028f93a5502d.png
[1024555-20161115133556388-1098209938.png]: /images/20210724/8dd8c0448c7d4a6b855625aceace6c3c.png
[1024555-20161115215812138-679881037.png]: /images/20210724/348d5606048d48488c060ae191e3da91.png
[1024555-20161116001404732-625340289.png]: /images/20210724/964100cb30d848049c9c75d0987475fb.png
[1024555-20161116001717560-1455096254.png]: /images/20210724/073201ac56384caf86a7ec5e2dc88479.png
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