HashMap底層原理分析

眾所周知，HashMap是一個(gè)用于存儲(chǔ)Key-Value鍵值對(duì)的集合，每一個(gè)鍵值對(duì)也叫做Entry。這些個(gè)鍵值對(duì)（Entry）分散存儲(chǔ)在一個(gè)數(shù)組當(dāng)中，這個(gè)數(shù)組就是HashMap的主干

1. 特性

我們可以用任何類作為HashMap的key，但是對(duì)于這些類應(yīng)該有什么限制條件呢？且看下面的代碼：

public class Person {
   private String name;

   public Person(String name) {
       this.name = name;
   }
}

Map 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類的value，結(jié)果卻是null。對(duì)HashMap稍有了解的人看出來(lái)——Person類并沒(méi)有override hashcode方法，導(dǎo)致其繼承的是Object的hashcode（返回是其內(nèi)存地址），兩次new出來(lái)的Person對(duì)象并不equals——這也是為什么在工程項(xiàng)目中常用不變類（如String、Integer等）做為HashMap的key的原因。那么，HashMap是如何利用hashcode給key做索引的呢？

2. 原理

首先，我們來(lái)看《Thinking in Java》中一個(gè)簡(jiǎn)單HashMap的實(shí)現(xiàn)方案：

//: containers/SimpleHashMap.java
// A demonstration hashed Map.
import java.util.*;
import net.mindview.util.*;

public class SimpleHashMap extends AbstractMap {
 // 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>[] 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>();
   LinkedList> bucket = buckets[index];
   MapEntry pair = new MapEntry(key, value);
   boolean found = false;
   ListIterator> it = bucket.listIterator();
   while(it.hasNext()) {
     MapEntry 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 iPair : buckets[index])
     if(iPair.getKey().equals(key))
       return iPair.getValue();
   return null;
 }
 public Set> entrySet() {
   Set> set= new HashSet>();
   for(LinkedList> bucket : buckets) {
     if(bucket == null) continue;
     for(MapEntry mpair : bucket)
       set.add(mpair);
   }
   return set;
 }
 public static void main(String[] args) {
   SimpleHashMap m =
     new SimpleHashMap();
   m.putAll(Countries.capitals(25));
   System.out.println(m);
   System.out.println(m.get("ERITREA"));
   System.out.println(m.entrySet());
 }
}

SimpleHashMap構(gòu)造一個(gè)hash表來(lái)存儲(chǔ)key，hash函數(shù)是取模運(yùn)算Math.abs(key.hashCode()) % SIZE，采用鏈表法解決hash沖突；buckets的每一個(gè)槽位對(duì)應(yīng)存放具有相同（hash后）index值的Map.Entry，如下圖所示： JDK的HashMap的實(shí)現(xiàn)原理與之相類似，其采用鏈地址的hash表table存儲(chǔ)Map.Entry：

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

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

Map.Entry的index是對(duì)key的hashcode進(jìn)行hash后所得。當(dāng)要get key對(duì)應(yīng)的value時(shí)，則對(duì)key計(jì)算其index，然后在table中取出Map.Entry即可得到，具體參看代碼：

public V get(Object key) {
   if (key == null)
       return getForNullKey();
   Entry entry = getEntry(key);

   return null == entry ? null : entry.getValue();
}

final Entry getEntry(Object key) {
   if (size == 0) {
       return null;
   }

   int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
   for (Entry 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;
}

可見(jiàn)，hashcode直接影響HashMap的hash函數(shù)的效率——好的hashcode會(huì)極大減少hash沖突，提高查詢性能。同時(shí)，這也解釋開(kāi)篇提出的兩個(gè)問(wèn)題：如果自定義的類做HashMap的key，則hashcode的計(jì)算應(yīng)涵蓋構(gòu)造函數(shù)的所有字段，否則有可能得到null。