Java中HashMap的原理分析

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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：

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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

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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：

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//: 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());  } }

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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：

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/**  * 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;   … }

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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：

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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; }

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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。