Java中HashMap的原理分析-java hashmap

HashMap在Java开发中有着非常重要的角色地位，每一个Java程序员都应该了解HashMap。详细地阐述HashMap中的几个概念，并深入探讨HashMap的内部结构和实现细节，讨论HashMap的性能问题。

我们先来看这样的一道面试题：

在 HashMap 中存放的一系列键值对，其中键为某个我们自定义的类型。放入 HashMap 后，我们在外部把某一个 key 的属性进行更改，然后我们再用这个 key 从 HashMap 里取出元素，这时候 HashMap 会返回什么?

文中已给出示例代码与答案，但关于HashMap的原理没有做出解释。

1. 特性

我们可以用任何类作为HashMap的key，但是对于这些类应该有什么限制条件呢?且看下面的代码：

public class Person { 
  private String name; 
  
  public Person(String name) { 
    this.name = name; 
  } 
} 
  
Map<Person, String> testMap = new HashMap<>(); 
testMap.put(new Person("hello"), "world"); 
testMap.get(new Person("hello")); // ---> null

本是想取出具有相等字段值Person类的value，结果却是null。对HashMap稍有了解的人看出来——Person类并没有override hashcode方法，导致其继承的是Object的hashcode(返回是其内存地址)。这也是为什么常用不变类如String(或Integer等)做为HashMap的key的原因。那么，HashMap是如何利用hashcode给key做快速索引的呢?

2. 原理

首先，我们来看《Thinking in Java》中一个简单HashMap的实现方案：

//: containers/SimpleHashMap.java 
// A demonstration hashed Map. 
import java.util.*; 
import net.mindview.util.*; 
  
public class SimpleHashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> { 
 // Choose a prime number for the hash table size, to achieve a uniform distribution: 
 static final int SIZE = 997; 
 // You can't have a physical array of generics, but you can upcast to one: 
 @SuppressWarnings("unchecked") 
 LinkedList<MapEntry<K,V>>[] buckets = 
  new LinkedList[SIZE]; 
 public V put(K key, V value) { 
  V oldValue = null; 
  int index = Math.abs(key.hashCode()) % SIZE; 
  if(buckets[index] == null) 
   buckets[index] = new LinkedList<MapEntry<K,V>>(); 
  LinkedList<MapEntry<K,V>> bucket = buckets[index]; 
  MapEntry<K,V> pair = new MapEntry<K,V>(key, value); 
  boolean found = false; 
  ListIterator<MapEntry<K,V>> it = bucket.listIterator(); 
  while(it.hasNext()) { 
   MapEntry<K,V> iPair = it.next(); 
   if(iPair.getKey().equals(key)) { 
    oldValue = iPair.getValue(); 
    it.set(pair); // Replace old with new 
    found = true; 
    break; 
   } 
  } 
  if(!found) 
   buckets[index].add(pair); 
  return oldValue; 
 } 
 public V get(Object key) { 
  int index = Math.abs(key.hashCode()) % SIZE; 
  if(buckets[index] == null) return null; 
  for(MapEntry<K,V> iPair : buckets[index]) 
   if(iPair.getKey().equals(key)) 
    return iPair.getValue(); 
  return null; 
 } 
 public Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() { 
  Set<Map.Entry<K,V>> set= new HashSet<Map.Entry<K,V>>(); 
  for(LinkedList<MapEntry<K,V>> bucket : buckets) { 
   if(bucket == null) continue; 
   for(MapEntry<K,V> mpair : bucket) 
    set.add(mpair); 
  } 
  return set; 
 } 
 public static void main(String[] args) { 
  SimpleHashMap<String,String> m = 
   new SimpleHashMap<String,String>(); 
  m.putAll(Countries.capitals(25)); 
  System.out.println(m); 
  System.out.println(m.get("ERITREA")); 
  System.out.println(m.entrySet()); 
 } 
}

SimpleHashMap构造一个hash表来存储key，hash函数是取模运算Math.abs(key.hashCode()) % SIZE，采用链表法解决hash冲突;buckets的每一个槽位对应存放具有相同(hash后)index值的Map.Entry，如下图所示：

JDK的HashMap的实现原理与之相类似，其采用链地址的hash表table存储Map.Entry：

/** 
 * The table, resized as necessary. Length MUST Always be a power of two. 
 */ 
transient Entry<K,V>[] table = (Entry<K,V>[]) EMPTY_TABLE; 
  
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> { 
  final K key; 
  V value; 
  Entry<K,V> next; 
  int hash; 
  … 
}

Map.Entry的index是对key的hashcode进行hash后所得。当要get key对应的value时，则对key计算其index，然后在table中取出Map.Entry即可得到，具体参看代码：

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) { 
  if (size == 0) { 
    return null; 
  } 
  
  int hash = (key == null) ? 0 : hash(key); 
  for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)]; 
     e != null; 
     ee = e.next) { 
    Object k; 
    if (e.hash == hash && 
      ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) 
      return e; 
  } 
  return null; 
}

可见，hashcode直接影响HashMap的hash函数的效率——好的hashcode会极大减少hash冲突，提高查询性能。同时，这也解释开篇提出的两个问题：如果自定义的类做HashMap的key，则hashcode的计算应涵盖构造函数的所有字段，否则有可能得到null。