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Java集合深入學習總結－HashMap

編輯：JAVA綜合教程

Java集合深入學習總結－HashMap

1. HashMap概述：

HashMap是基於哈希表的Map接口的非同步實現。此實現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的數據結構：

在java編程語言中，最基本的結構就是兩種，一個是數組，另外一個是模擬指針（引用），所有的數據結構都可以用這兩個基本結構來構造的，HashMap也不例外。HashMap實際上是一個“鏈表散列”的數據結構，即數組和鏈表的結合體。

從上圖中可以看出，HashMap底層就是一個數組結構，數組中的每一項又是一個鏈表。當新建一個HashMap的時候，就會初始化一個數組。

源碼如下：

/** *Thetable,resizedasnecessary.LengthMUSTAlwaysbeapoweroftwo. */ transientEntry[]table; staticclassEntryimplementsMap.Entry{ finalKkey; Vvalue; Entrynext; finalinthash; …… }

可以看出，Entry就是數組中的元素，每個Map.Entry其實就是一個key-value對，它持有一個指向下一個元素的引用，這就構成了鏈表。

3. HashMap的存取實現：

1) 存儲：

publicVput(Kkey,Vvalue){ //HashMap允許存放null鍵和null值。 //當key為null時，調用putForNullKey方法，將value放置在數組第一個位置。 if(key==null) returnputForNullKey(value); //根據key的keyCode重新計算hash值。 inthash=hash(key.hashCode()); //搜索指定hash值在對應table中的索引。 inti=indexFor(hash,table.length); //如果i索引處的Entry不為null，通過循環不斷遍歷e元素的下一個元素。 for(Entrye=table[i];e!=null;e=e.next){ Objectk; if(e.hash==hash&&((k=e.key)==key||key.equals(k))){ VoldValue=e.value; e.value=value; e.recordAccess(this); returnoldValue; } } //如果i索引處的Entry為null，表明此處還沒有Entry。 modCount++; //將key、value添加到i索引處。 addEntry(hash,key,value,i); returnnull; }

從上面的源代碼中可以看出：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鏈表的形式存放，新加入的放在鏈頭，最先加入的放在鏈尾。如果數組該位置上沒有元素，就直接將該元素放到此數組中的該位置上。

addEntry(hash, key, value, i)方法根據計算出的hash值，將key-value對放在數組table的i索引處。addEntry是HashMap提供的一個包訪問權限的方法，代碼如下：

voidaddEntry(inthash,Kkey,Vvalue,intbucketIndex){ //獲取指定bucketIndex索引處的Entry Entrye=table[bucketIndex]; //將新創建的Entry放入bucketIndex索引處，並讓新的Entry指向原來的Entry table[bucketIndex]=newEntry(hash,key,value,e); //如果Map中的key-value對的數量超過了極限 if(size++>=threshold) //把table對象的長度擴充到原來的2倍。 resize(2*table.length); }

當系統決定存儲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的存儲位置。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的存儲位置之後，value隨之保存在那裡即可。

hash(int h)方法根據key的hashCode重新計算一次散列。此算法加入了高位計算，防止低位不變，高位變化時，造成的hash沖突。這篇文章末尾有hash方法詳解。

staticinthash(inth){ h^=(h>>>20)^(h>>>12); returnh^(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值來求得對應數組中的位置。如何計算這個位置就是hash算法。前面說過HashMap的數據結構是數組和鏈表的結合，所以我們當然希望這個HashMap裡面的元素位置盡量的分布均勻些，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，而不用再去遍歷鏈表，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，那麼程序調用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，元素的分布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：調用indexFor(int h, int length)方法來計算該對象應該保存在table數組的哪個索引處。indexFor(int h, int length)方法的代碼如下：

staticintindexFor(inth,intlength){ returnh&(length-1); }

這個方法非常巧妙，它通過h & (table.length -1)來得到該對象的保存位，而HashMap底層數組的長度總是2的n次方，這是HashMap在速度上的優化。在HashMap構造器中有如下代碼：

intcapacity=1; while(capacity這段代碼保證初始化時HashMap的容量總是2的n次方，即底層數組的長度總是為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。

這看上去很簡單，其實比較有玄機的，我們舉個例子來說明：

假設數組長度分別為15和16，優化後的hash碼分別為8和9，那麼&運算後的結果如下：

h & (table.length-1) hash table.length-1

8 & (15-1)：0100&1110= 0100

9 & (15-1)：0101&1110 =0100

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

8 & (16-1)：0100&1111=0100

9 & (16-1)：0101&1111=0101

從上面的例子中可以看出：當它們和15-1（1110）“與”的時候，產生了相同的結果，也就是說它們會定位到數組中的同一個位置上去，這就產生了碰撞，8和9會被放到數組中的同一個位置上形成鏈表，那麼查詢的時候就需要遍歷這個鏈表，得到8或者9，這樣就降低了查詢的效率。同時，我們也可以發現，當數組長度為15的時候，hash值會與15-1（1110）進行“與”，那麼最後一位永遠是0，而0001，0011，0101，1001，1011，0111，1101這幾個位置永遠都不能存放元素了，空間浪費相當大，更糟的是這種情況中，數組可以使用的位置比數組長度小了很多，這意味著進一步增加了碰撞的幾率，減慢了查詢的效率！而當數組長度為16時，即為2的n次方時，2ⁿ-1得到的二進制數的每個位上的值都為1，這使得在低位上&時，得到的和原hash的低位相同，加之hash(int h)方法對key的hashCode的進一步優化，加入了高位計算，就使得只有相同的hash值的兩個值才會被放到數組中的同一個位置上形成鏈表。

所以說，當數組長度為2的n次冪的時候，不同的key算得得index相同的幾率較小，那麼數據在數組上分布就比較均勻，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鏈表，這樣查詢效率也就較高了。

根據上面put方法的源代碼可以看出，當程序試圖將一個key-value對放入HashMap中時，程序首先根據該key的hashCode()返回值決定該Entry的存儲位置：如果兩個Entry的key的hashCode()返回值相同，那它們的存儲位置相同。如果這兩個Entry的key通過equals比較返回true，新添加Entry的value將覆蓋集合中原有Entry的value，但key不會覆蓋。如果這兩個Entry的key通過equals比較返回false，新添加的Entry將與集合中原有Entry形成Entry鏈，而且新添加的Entry位於Entry鏈的頭部——具體說明繼續看addEntry()方法的說明。

2)讀取：

publicVget(Objectkey){ if(key==null) returngetForNullKey(); inthash=hash(key.hashCode()); for(Entrye=table[indexFor(hash,table.length)]; e!=null; e=e.next){ Objectk; if(e.hash==hash&&((k=e.key)==key||key.equals(k))) returne.value; } returnnull; }

有了上面存儲時的hash算法作為基礎，理解起來這段代碼就很容易了。從上面的源代碼中可以看出：從HashMap中get元素時，首先計算key的hashCode，找到數組中對應位置的某一元素，然後通過key的equals方法在對應位置的鏈表中找到需要的元素。

3)歸納起來簡單地說，HashMap在底層將key-value當成一個整體進行處理，這個整體就是一個Entry對象。HashMap底層采用一個Entry[]數組來保存所有的key-value對，當需要存儲一個Entry對象時，會根據hash算法來決定其在數組中的存儲位置，在根據equals方法決定其在該數組位置上的鏈表中的存儲位置；當需要取出一個Entry時，也會根據hash算法找到其在數組中的存儲位置，再根據equals方法從該位置上的鏈表中取出該Entry。

4. HashMap的resize（rehash）：

當HashMap中的元素越來越多的時候，hash沖突的幾率也就越來越高，因為數組的長度是固定的。所以為了提高查詢的效率，就要對HashMap的數組進行擴容，數組擴容這個操作也會出現在ArrayList中，這是一個常用的操作，而在HashMap數組擴容之後，最消耗性能的點就出現了：原數組中的數據必須重新計算其在新數組中的位置，並放進去，這就是resize。

那麼HashMap什麼時候進行擴容呢？當HashMap中的元素個數超過數組大小*loadFactor時，就會進行數組擴容，loadFactor的默認值為0.75，這是一個折中的取值。也就是說，默認情況下，數組大小為16，那麼當HashMap中元素個數超過16*0.75=12的時候，就把數組的大小擴展為2*16=32，即擴大一倍，然後重新計算每個元素在數組中的位置，而這是一個非常消耗性能的操作，所以如果我們已經預知HashMap中元素的個數，那麼預設元素的個數能夠有效的提高HashMap的性能。

5. HashMap的性能參數：

HashMap包含如下幾個構造器：

HashMap()：構建一個初始容量為16，負載因子為0.75的HashMap。

HashMap(int initialCapacity)：構建一個初始容量為initialCapacity，負載因子為0.75的HashMap。

HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)：以指定初始容量、指定的負載因子創建一個HashMap。

HashMap的基礎構造器HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)帶有兩個參數，它們是初始容量initialCapacity和加載因子loadFactor。

initialCapacity：HashMap的最大容量，即為底層數組的長度。

loadFactor：負載因子loadFactor定義為：散列表的實際元素數目(n)/散列表的容量(m)。

負載因子衡量的是一個散列表的空間的使用程度，負載因子越大表示散列表的裝填程度越高，反之愈小。對於使用鏈表法的散列表來說，查找一個元素的平均時間是O(1+a)，因此如果負載因子越大，對空間的利用更充分，然而後果是查找效率的降低；如果負載因子太小，那麼散列表的數據將過於稀疏，對空間造成嚴重浪費。

HashMap的實現中，通過threshold字段來判斷HashMap的最大容量：

Java代碼

threshold=(int)(capacity*loadFactor);

結合負載因子的定義公式可知，threshold就是在此loadFactor和capacity對應下允許的最大元素數目，超過這個數目就重新resize，以降低實際的負載因子。默認的的負載因子0.75是對空間和時間效率的一個平衡選擇。當容量超出此最大容量時，resize後的HashMap容量是容量的兩倍：

Java代碼

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

6. Fail-Fast機制：

我們知道java.util.HashMap不是線程安全的，因此如果在使用迭代器的過程中有其他線程修改了map，那麼將拋出ConcurrentModificationException，這就是所謂fail-fast策略。

這一策略在源碼中的實現是通過modCount域，modCount顧名思義就是修改次數，對HashMap內容的修改都將增加這個值，那麼在迭代器初始化過程中會將這個值賦給迭代器的expectedModCount。

Java代碼

HashIterator(){ expectedModCount=modCount; if(size>0){//advancetofirstentry Entry[]t=table; while(index在迭代過程中，判斷modCount跟expectedModCount是否相等，如果不相等就表示已經有其他線程修改了Map：

注意到modCount聲明為volatile，保證線程之間修改的可見性。

Java代碼

finalEntrynextEntry(){ if(modCount!=expectedModCount) thrownewConcurrentModificationException();

在HashMap的API中指出：

由所有HashMap類的“collection視圖方法”所返回的迭代器都是快速失敗的：在迭代器創建之後，如果從結構上對映射進行修改，除非通過迭代器本身的remove方法，其他任何時間任何方式的修改，迭代器都將拋出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序的做法是錯誤的，正確做法是：迭代器的快速失敗行為應該僅用於檢測程序錯誤。

hash方法詳解

inthash=hash(key.hashCode()); inti=indexFor(hash,table.length);
其中indexFor和hash源碼如下：
/** *AppliesasupplementalhashfunctiontoagivenhashCode,which *defendsagainstpoorqualityhashfunctions.Thisiscritical *becauseHashMapusespower-of-twolengthhashtables,that *otherwiseencountercollisionsforhashCodesthatdonotdiffer *inlowerbits.Note:Nullkeysalwaysmaptohash0,thusindex0. */ staticinthash(inth){ //ThisfunctionensuresthathashCodesthatdifferonlyby //constantmultiplesateachbitpositionhaveabounded //numberofcollisions(approximately8atdefaultloadfactor). h^=(h>>>20)^(h>>>12); returnh^(h>>>7)^(h>>>4); } /** *Returnsindexforhashcodeh. */ staticintindexFor(inth,intlength){ returnh&(length-1); }
indexFor這個方法論壇中已有人分析過，這裡就不再分析。
現在分析一下hash算法：
h^=(h>>>20)^(h>>>12); returnh^(h>>>7)^(h>>>4);
假設key.hashCode()的值為：0x7FFFFFFF，table.length為默認值16。
上面算法執行如下：

得到i=15

其中h^(h>>>7)^(h>>>4) 結果中的位運行標識是把h>>>7 換成 h>>>8來看。

即最後h^(h>>>8)^(h>>>4) 運算後hashCode值每位數值如下：
8=8
7=7^8
6=6^7^8
5=5^8^7^6
4=4^7^6^5^8
3=3^8^6^5^8^4^7
2=2^7^5^4^7^3^8^6
1=1^6^4^3^8^6^2^7^5
結果中的1、2、3三位出現重復位^運算
3=3^8^6^5^8^4^7 -> 3^6^5^4^7
2=2^7^5^4^7^3^8^6 -> 2^5^4^3^8^6
1=1^6^4^3^8^6^2^7^5 -> 1^4^3^8^2^7^5

算法中是采用(h>>>7)而不是(h>>>8)的算法，應該是考慮1、2、3三位出現重復位^運算的情況。使得最低位上原hashCode的8位都參與了^運算，所以在table.length為默認值16的情況下面，hashCode任意位的變化基本都能反應到最終hash table 定位算法中，這種情況下只有原hashCode第3位高1位變化不會反應到結果中，即：0x7FFFF7FF的i=15。