Java中HashMap的實作原理解析

這篇文章帶給大家的內容是關於Java中HashMap的實作原理解析，有一定的參考價值，有需要的朋友可以參考一下，希望對你有幫助。

1.    HashMap概述：
  HashMap是基於哈希表的Map介面的非同步實作。此實作提供所有可選的映射操作，並允許使用null值和null鍵。此類不保證映射的順序，特別是它不保證該順序恆久不變。
2.    HashMap的資料結構：
在java程式語言中，最基本的結構就是兩種，一個是數組，另外一個是模擬指標（引用），所有的資料結構都可以用這兩個基本結構來建構的，HashMap也不例外。 HashMap實際上是一個「鍊錶散列」的資料結構，即數組和鍊錶的結合體。
從上圖可以看出，HashMap底層就是一個陣列結構，陣列中的每一項又是一個鍊錶。當新建一個HashMap的時候，就會初始化一個陣列。

/** 
 * The table, resized as necessary. Length MUST Always be a power of two. 
 */  transient Entry[] table;  

static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {  
    final K key;  
    V value;  
    Entry<K,V> next;  
    final int hash;  
    ……  
}

3.    HashMap的存取實作：
1) 儲存：

public V put(K key, V value) {  
    // HashMap允许存放null键和null值。  
    // 当key为null时，调用putForNullKey方法，将value放置在数组第一个位置。  
    if (key == null)  
        return putForNullKey(value);  
    // 根据key的keyCode重新计算hash值。  
    int hash = hash(key.hashCode());  
    // 搜索指定hash值在对应table中的索引。  
    int i = indexFor(hash, table.length);  
    // 如果 i 索引处的 Entry 不为 null，通过循环不断遍历 e 元素的下一个元素。  
    for (Entry<K,V> e = table[i]; 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;  
        }  
    }  
    // 如果i索引处的Entry为null，表明此处还没有Entry。  
    modCount++;  
    // 将key、value添加到i索引处。  
    addEntry(hash, key, value, i);  
    return null;  
}

從上面的原始碼可以看出：當我們往HashMap中put元素的時候，先根據key的hashCode重新計算hash值，根據hash值得到這個元素在數組中的位置（即下標），如果數組該位置上已經存放有其他元素了，那麼在這個位置上的元素將以鍊錶的形式存放，新加入的放在鏈頭，最先加入的放在鏈尾。如果陣列該位置上沒有元素，就直接將該元素放到此陣列中的該位置。
addEntry(hash, key, value, i)方法根據計算出的hash值，將key-value對放在陣列table的i索引處。 addEntry 是HashMap 提供的一個套件存取權限的方法，程式碼如下：

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {  
    // 获取指定 bucketIndex 索引处的 Entry   
    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];  
    // 将新创建的 Entry 放入 bucketIndex 索引处，并让新的 Entry 指向原来的 Entry  
    table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);  
    // 如果 Map 中的 key-value 对的数量超过了极限  
    if (size++ >= threshold)  
    // 把 table 对象的长度扩充到原来的2倍。  
        resize(2 * table.length);  
}

當系統決定儲存HashMap中的key-value對時，完全沒有考慮Entry中的value，僅僅只是根據key來計算並決定每個Entry的儲存位置。我們完全可以把 Map 集合中的 value 當成 key 的附屬，當系統決定了 key 的儲存位置之後，value 就隨之保存在那裡即可。

hash(int h)方法根據key的hashCode重新計算一次雜湊。此演算法加入了高位計算，防止低位不變，高位變化時，造成的hash衝突。

static int hash(int h) {  
    h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);  
    return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);  
}

我們可以看到在HashMap中要找到某個元素，需要根據key的hash值來求對應陣列中的位置。如何計算這個位置就是hash演算法。前面說過HashMap的資料結構是陣列和鍊錶的結合，所以我們當然希望這個HashMap裡面的元素位置盡量的分佈均勻些，盡量使得每個位置上的元素數量只有一個，那麼當我們用hash演算法求得這個位置的時候，馬上就可以知道對應位置的元素就是我們要的，不用再去遍歷鍊錶，這樣就大大優化了查詢的效率。

對於任意給定的對象，只要它的 hashCode() 返回值相同，那麼程式呼叫 hash(int h) 方法所計算得到的 hash 碼值總是相同的。我們首先想到的就是把hash值對數組長度取模運算，這樣一來，元素的分佈相對來說是比較均勻的。但是，「模」運算的消耗還是比較大的，在HashMap中是這樣做的：呼叫 indexFor(int h, int length) 方法來計算該物件應該保存在 table 陣列的哪個索引處。 indexFor(int h, int length) 方法的程式碼如下：

static int indexFor(int h, int length) {  
    return h & (length-1);  
}

這個方法非常巧妙，它透過h & (table.length -1) 來得到該物件的保存位，而HashMap底層陣列的長度總是2 的n 次方，這是HashMap在速度上的最佳化。在 HashMap 建構器中有以下程式碼：

int capacity = 1;  
    while (capacity < initialCapacity)  
        capacity <<= 1;

這段程式碼保證初始化時HashMap的容量總是2的n次方，即底層陣列的長度總是為2的n次方。
當length總是 2 的n次方時，h& (length-1)運算等價於對length取模，也就是h%length，但是&比%具有更高的效率。
當數組長度為2的n次冪的時候，不同的key算得index相同的幾率較小，那麼數據在數組上分佈就比較均勻，也就是說碰撞的幾率小，相對的，查詢的時候就不用遍歷某個位置上的鍊錶，這樣查詢效率也就較高了。

根據上面put 方法的原始碼可以看出，當程式試圖將一個key-value對放入HashMap中時，程式首先根據該key 的hashCode() 傳回值決定該Entry 的儲存位置：如果兩個Entry 的key 的hashCode() 回傳值相同，那麼它們的儲存位置相同。如果這兩個 Entry 的 key 透過 equals 比較傳回 true，新新增 Entry 的 value 將覆蓋集合中原有 Entry 的 value，但key不會覆寫。如果這兩個Entry 的key 透過equals 比較回傳false，新加入的Entry 會與集合中原有Entry 形成Entry 鏈，而且新加入的Entry 位於Entry 鏈的頭部－具體說明繼續看addEntry() 方法的說明。
（2）讀取

public V get(Object key) {  
    if (key == null)  
        return getForNullKey();  
    int hash = hash(key.hashCode());  
    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;  
}

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。

3) 归纳起来简单地说，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。
4. 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。
5. 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。
HashMap(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和加载因子loadFactor。
initialCapacity：HashMap的最大容量，即为底层数组的长度。
loadFactor：负载因子loadFactor定义为：散列表的实际元素数目(n)/ 散列表的容量(m)。
负载因子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：

if (size++ >= threshold)     
    resize(2 * table.length);

6. Fail-Fast机制：
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。

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内容的修改都将增加这个值，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 < t.length && (next = t[index++]) == null)  
        ;  
    }  
}

在迭代过程中，判断modCount跟expectedModCount是否相等，如果不相等就表示已经有其他线程修改了Map：
注意到modCount声明为volatile，保证线程之间修改的可见性。

final Entry<K,V> nextEntry() {     
    if (modCount != expectedModCount)     
        throw new ConcurrentModificationException();

在HashMap的API中指出：

所有HashMap類別的「collection 視圖方法」所傳回的迭代器都是快速失敗的：在迭代器建立之後，如果從結構上對映射進行修改，除非透過迭代器本身的remove 方法，其他任何時間任何方式的修改，迭代器都會拋出ConcurrentModificationException。因此，面對並發的修改，迭代器很快就會完全失敗，而不冒在將來不確定的時間發生任意不確定行為的風險。

注意，迭代器的快速失敗行為不能得到保證，一般來說，存在非同步的並發修改時，不可能作出任何堅決的保證。快速失敗迭代器盡最大努力拋出 ConcurrentModificationException。因此，編寫依賴於此異常的程式的做法是錯誤的，正確做法是：迭代器的快速失敗行為應該僅用於檢測程式錯誤。

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