基于Java中最常用的集合类框架之HashMap(详解)

Z时代
2024-01-10
分类：IT

一、HashMap的概述

HashMap可以说是Java中最常用的集合类框架之一,是Java语言中非常典型的数据结构。

HashMap是基于哈希表的Map接口实现的,此实现提供所有可选的映射操作。存储的是对的映射，允许多个null值和一个null键。但此类不保证映射的顺序，特别是它不保证该顺序恒久不变。

除了HashMap是非同步以及允许使用null外，HashMap 类与 Hashtable大致相同。

此实现假定哈希函数将元素适当地分布在各桶之间，可为基本操作（get 和 put）提供稳定的性能。迭代collection 视图所需的时间与 HashMap 实例的“容量”（桶的数量）及其大小（键-值映射关系数）成比例。所以，如果迭代性能很重要，则不要将初始容量设置得太高（或将加载因子设置得太低）。

HashMap 的实例有两个参数影响其性能：初始容量和加载因子。容量是哈希表中桶的数量，初始容量只是哈希表在创建时的容量。加载因子是哈希表在其容量自动增加之前可以达到多满的一种尺度。当哈希表中的条目数超出了加载因子与当前容量的乘积时，则要对该哈希表进行 rehash 操作（即重建内部数据结构），从而哈希表将具有大约两倍的桶数。

通常，默认加载因子 (0.75) 在时间和空间成本上寻求一种折衷。加载因子过高虽然减少了空间开销，但同时也增加了查询成本（在大多数 HashMap 类的操作中，包括 get 和 put 操作，都反映了这一点）。在设置初始容量时应该考虑到映射中所需的条目数及其加载因子，以便最大限度地减少 rehash 操作次数。如果初始容量大于最大条目数除以加载因子，则不会发生 rehash 操作。

注意，此实现不是同步的。如果多个线程同时访问一个HashMap实例，而其中至少一个线程从结构上修改了列表，那么它必须保持外部同步。这通常是通过同步那些用来封装列表的对象来实现的。但如果没有这样的对象存在，则应该使用{@link Collections#synchronizedMap Collections.synchronizedMap}来进行“包装”，该方法最好是在创建时完成，为了避免对映射进行意外的非同步操作。


Map m = Collections.synchronizedMap(new HashMap(...));

二、构造函数

HashMap提供了三个构造函数：

HashMap()：构造一个具有默认初始容量 (16) 和默认加载因子 (0.75) 的空 HashMap。

HashMap(int initialCapacity)：构造一个带指定初始容量和默认加载因子 (0.75) 的空 HashMap。

HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)：构造一个带指定初始容量和加载因子的空 HashMap。

这里提到了两个参数：初始容量，加载因子。这两个参数是影响HashMap性能的重要参数，其中容量表示哈希表中桶的数量，初始容量是创建哈希表时的容量，加载因子是哈希表在其容量自动增加之前可以达到多满的一种尺度，它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。系统默认负载因子为0.75，一般情况下我们是无需修改的。

HashMap是一种支持快速存取的数据结构，要了解它的性能必须要了解它的数据结构。

三、数据结构

我们知道在Java中最常用的两种结构是数组和模拟指针(引用)，几乎所有的数据结构都可以利用这两种来组合实现，HashMap也是如此。实际上HashMap是一个“链表散列”，如下是它数据结构：


// Entry是单向链表。 它是 “HashMap链式存储法”对应的链表。 
// 实现了Map.Entry接口，即getKey(),getValue(),setValue(V value),equals(Object o),hashCode()这些函数 
static class Entry implements Map.Entry { 
 final K key; 
 V value; 
 // 指向下一个节点 
 Entry next; 
 final int hash; 
 // 构造函数
 // 输入参数包括"哈希值(h)", "键(k)", "值(v)", "下一节点(n)" 
 Entry(int h, K k, V v, Entry n) { 
  value = v; 
  next = n; 
  key = k; 
  hash = h; 
 } 
 public final K getKey() { 
  return key; 
 } 
 public final V getValue() { 
  return value; 
 } 
 public final V setValue(V newValue) { 
  V oldValue = value; 
  value = newValue; 
  return oldValue; 
 } 
 // 判断两个Entry是否相等 
 // 若两个Entry的“key”和“value”都相等，则返回true。 
 // 否则，返回false 
 public final boolean equals(Object o) { 
  if (!(o instanceof Map.Entry)) 
   return false; 
  Map.Entry e = (Map.Entry)o; 
  Object k1 = getKey(); 
  Object k2 = e.getKey(); 
  if (k1 == k2 || (k1 != null && k1.equals(k2))) { 
   Object v1 = getValue(); 
   Object v2 = e.getValue(); 
   if (v1 == v2 || (v1 != null && v1.equals(v2))) 
    return true; 
  } 
  return false; 
 } 
 // 实现hashCode() 
 public final int hashCode() { 
  return (key==null ? 0 : key.hashCode()) ^ 
    (value==null ? 0 : value.hashCode()); 
 } 
 public final String toString() { 
  return getKey() + "=" + getValue(); 
 } 
 // 当向HashMap中添加元素时，绘调用recordAccess()。 
 // 这里不做任何处理 
 void recordAccess(HashMap m) { 
 } 
 // 当从HashMap中删除元素时，绘调用recordRemoval()。 
 // 这里不做任何处理 
 void recordRemoval(HashMap m) { 
 } 
}

从上图我们可以看出HashMap底层实现还是数组，只是数组的每一项都是一条链。其中参数initialCapacity就代表了该数组的长度。下面为HashMap构造函数的源码：


// 找出“大于Capacity”的最小的2的幂,使Hash表的容量保持为2的次方倍
 // 算法的思想：通过使用逻辑运算来替代取余，这里有一个规律，就是当N为2的次方（Power of two），那么X％N==X&(N-1)。
 static final int tableSizeFor(int cap) {
  int n = cap - 1;
  n |= n >>> 1; // >>> 无符号右移,高位补0
  n |= n >>> 2; // a|=b的意思就是把a和b按位或然后赋值给a
  n |= n >>> 4;
  n |= n >>> 8;
  n |= n >>> 16;
  return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
 }
 // 构造一个带指定初始容量和加载因子的空HashMap
 public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
  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;
  this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
 }
 // 构造一个带指定初始容量和默认加载因子(0.75)的空 HashMap
 public HashMap(int initialCapacity) {
  this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
 }
 // 构造一个具有默认初始容量 (16)和默认加载因子 (0.75)的空 HashMap
 public HashMap() {
  this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
 }
 // 构造一个映射关系与指定 Map相同的新 HashMap,容量与指定Map容量相同，加载因子为默认的0.75
 public HashMap(Map m) {
  this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
  putMapEntries(m, false);
 }

从源码中可以看出，每次新建一个HashMap时，都会初始化一个table数组。table数组的元素为Entry节点。


// Entry是单向链表。 
 // 它是 “HashMap链式存储法”对应的链表。 
 // 它实现了Map.Entry 接口，即实现getKey(), getValue(), setValue(V value), equals(Object o), hashCode()这些函数 
 static class Entry implements Map.Entry { 
  final K key; 
  V value; 
  // 指向下一个节点 
  Entry next; 
  final int hash; 
   // 构造函数。 
  // 输入参数包括"哈希值(h)", "键(k)", "值(v)", "下一节点(n)" 
  Entry(int h, K k, V v, Entry n) { 
   value = v; 
   next = n; 
   key = k; 
   hash = h; 
  } 
  ......
 }