萌懂系列之HashMap原理

前言

无论是在日常开发中还是企业面试中，我们经常遇到HashMap。一些小伙伴可能会说HashMap不是很简单嘛，只要搞清楚常用的put,get方法的使用，其他的不会直接百度。至于面试嘛，面试前突击背一下面试宝典，搞定！然后我想说的是，无论是刚刚接触java的萌新，还是在web开发中混迹数载的大牛，有谁敢说自己对于HashMap绝对很清楚，甚至背后延伸的线程安全啥的，以及jdk8对HashMap的优化等等。当然有大牛确实对这些基础都清楚。。。但是不免有些萌新对这块还是有所欠缺，所以这里和大家一起来学习一下HashMap。

HashMap的底层原理结构

在具体谈HashMap的结构之前，我需要了解两种比较常见的数据结构，就是数组和链表，对于数组，由于是需要连续的内存空间所以空间复杂度比高，但是对于寻址的时间复杂度比较低，所以对于元素的寻址效率比较高，但是对于元素的新增或者删除就比较差了，相反对于链表，它里面的元素寻址比较麻烦，但是对于元素的新增删除比较方便。那么有没有什么办法能够兼容这两者的优势呢，取长补短？
我们都知道在HashMap中都是存储key,value的键值对的集合，每一个键值对也叫做Entry。这些个键值对（Entry）分散存储在一个数组当中，这个数组就是HashMap的主干。在HashMap中数组中，初始都是为null的，如下图

那么当我们向HashMap中插入一个元素时，具体是怎么操作的呢？比如调用 hashMap.put(“apple”, 0) ，插入一个Key为“apple”的元素。这时候我们需要利用一个哈希函数来确定Entry的插入位置（index）：index = Hash（“apple”）假定最后计算出的index是2，那么插入之后的结果如下

上面的插入没有任何问题，但是如果插入大量的元素的时候，这时候就可能会出现哈希冲突的情况，比如说另外一个元素的哈希值在HashMap数组索引的值也是2，这种情况改怎么处理呢？其实这时候我们就会用到上面提到的链表了，我们回去循环这个索引对应的链表，对于上面的情况，索引为2的链表中已经有一元素了，在遍历链表的时候，如果对应的key是相同的那么就直接覆盖前者，如果是不一样的，就将新加的元素插入到链表的头节点（HashMap的设计者认为，新插入的元素被get的可能性更大，索引直接插到头节点）。如下图

上面只是简单的介绍HashMap的结构，对于HashMap中的put和get方法具体是如何实现的，我们接下来再详细介绍。

HashMap中的get和put

其实对于这两个方法还是看源码比较实在，有的小伙伴可能被误导是不是说只是这两个方法重要呢，其他的方法就不需要关注，这里只是因为篇幅问题，不作深究，有兴趣的小伙伴可以自己来看看HashMap的源码。
首先是get方法

// 获取key对应的value    
public V get(Object key) {    
    if (key == null)    
        return getForNullKey();    
    // 获取key的hash值    
    int hash = hash(key.hashCode());    
    // 在“该hash值对应的链表”上查找“键值等于key”的元素    
    for (Entry e = table[indexFor(hash, table.length)];    
         e != null;    
         e = e.next) {    
        Object k;    
/判断key是否相同  
        if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))    
            return e.value;    
    }  
没找到则返回null  
    return null;    
}    

// 获取“key为null”的元素的值    
// HashMap将“key为null”的元素存储在table[0]位置，但不一定是该链表的第一个位置！    
private V getForNullKey() {    
    for (Entry e = table[0]; e != null; e = e.next) {    
        if (e.key == null)    
            return e.value;    
    }    
    return null;    
} 

接着是put方法

 // 将“key-value”添加到HashMap中    
  public V put(K key, V value) {    
      // 若“key为null”，则将该键值对添加到table[0]中。    
      if (key == null)    
          return putForNullKey(value);    
      // 若“key不为null”，则计算该key的哈希值，然后将其添加到该哈希值对应的链表中。    
      int hash = hash(key.hashCode());    
      int i = indexFor(hash, table.length);    
      for (Entry e = table[i]; e != null; e = e.next) {    
          Object k;    
          // 若“该key”对应的键值对已经存在，则用新的value取代旧的value。然后退出！    
          if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {    
              V oldValue = e.value;    
              e.value = value;    
              e.recordAccess(this);    
              return oldValue;    
          }    
      }    

      // 若“该key”对应的键值对不存在，则将“key-value”添加到table中    
      modCount++;  
//将key-value添加到table[i]处  
      addEntry(hash, key, value, i);    
      return null;    
  }

上面的源码中都是有注释的，如果有不理解的地方欢迎加群讨论。

简单模拟哈希冲突时，元素在链表中存放过程

首先用Student类的对象作为key，在Student类中，我们重写了hashcode()和equals()方法，方便展示效果，在日常开发中需要根据自己的业务逻辑来进行重写，具体Student类代码如下

/** 
* @ClassName: Student
* @Description:插入到HashMap中的key类
* @author 爱琴孩
*/
public class Student {
    private String name;
    private int age;

    public Student(){}

    public Student(String name,int age){
        this.name=name;
        this.age=age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        //这里重写逻辑是为了模拟哈希冲突
        int result = 1;
        if(name.length()%2==0){
            result=50;
        }else{
            result=12;
        }
        return result;
    }

    @Override
    public boolean equals(Object obj) {
        Student s=(Student)obj;
        if(name.equals(s.name)){
            return true;
        }else{
            return false;
        }
    }
}

测试类如下

/**
* @ClassName: Client
* @Description: TODO(测试客户端)
* @author 爱琴孩
*/
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Student s1=new Student("爱琴孩",21);
        System.out.println("s1的hashcode是"+s1.hashCode());
        Student s2=new Student("爱琴孩同事",20);
        System.out.println("s2的hashcode是"+s2.hashCode());
        Map hashMap=new HashMap();
        hashMap.put(s1, 1);
        hashMap.put(s2, 2);
        System.out.println("s1.hashCode()==s2.hashCode()---------"+(s1.hashCode()==s2.hashCode()));
        System.out.println("s1.equals(s2)------------"+s1.equals(s2));
        //日常开发逻辑中，我们应该认为s1,s2是同一个元素，应该s2会覆盖s1，所以hashMap的size应该是1
        System.out.println("hashMap的size是"+hashMap.size());
    }
}

我们可以在测试类中put完s1,s2之后打个断点看看这时候的HashMap中的元素情况具体如下图

在上图中，我们可以看到这两个元素确实是被放在数组中索引为12的位置上，后插入的元素没有将前者进行覆盖。

HashMap数组的初始长度为16理由何在

在日常面试的时候，经常会有面试官可能会问，HashMap中的数组初始长度是多少，为什么在扩容的时候都需要扩充至2的多少次方？
其实对于这个问题，我们需要知道HashMap怎么根据K生成的哈希值来得到对应数组的索引值的。在源码中具体实现如下

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

这个我们要重点说下，我们一般对哈希表的散列很自然地会想到用hash值对length取模（即除法散列法），Hashtable中也是这样实现的，这种方法基本能保证元素在哈希表中散列的比较均匀，但取模会用到除法运算，效率很低，HashMap中则通过h&(length-1)的方法来代替取模，同样实现了均匀的散列，但效率要高很多，这也是HashMap对Hashtable的一个改进。
接下来，我们分析下为什么哈希表的容量一定要是2的整数次幂。首先，length为2的整数次幂的话，h&(length-1)就相当于对length取模，这样便保证了散列的均匀，同时也提升了效率；其次，length为2的整数次幂的话，为偶数，这样length-1为奇数，奇数的最后一位是1，这样便保证了h&(length-1)的最后一位可能为0，也可能为1（这取决于h的值），即与后的结果可能为偶数，也可能为奇数，这样便可以保证散列的均匀性，而如果length为奇数的话，很明显length-1为偶数，它的最后一位是0，这样h&(length-1)的最后一位肯定为0，即只能为偶数，这样任何hash值都只会被散列到数组的偶数下标位置上，这便浪费了近一半的空间，因此，length取2的整数次幂，是为了使不同hash值发生碰撞的概率较小，这样就能使元素在哈希表中均匀地散列。