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HashMap是最常用的集合类框架之一,它实现了Map接口,所以存储的元素也是键值对映射的结构,并允许使用null值和null键,其内元素是无序的,如果要保证有序,可以使用LinkedHashMap。HashMap是线程不安全的,下篇文章会讨论。HashMap的类关系如下:
java.util
Class HashMap
java.lang.Object
|--java.util.AbstractMap
|--java.util.HashMap
所有已实现的接口:
Serializable,Cloneable,Map
直接已知子类:
LinkedHashMap,PrinterStateReasons
HashMap中用的最多的方法就属put() 和 get() 方法;HashMap的Key值是唯一的,那如何保证唯一性呢?我们首先想到的是用equals比较,没错,这样可以实现,但随着内部元素的增多,put和get的效率将越来越低,这里的时间复杂度是O(n),假如有1000个元素,put时最差情况需要比较1000次。实际上,HashMap很少会用到equals方法,因为其内通过一个哈希表管理所有元素,哈希是通过hash单词音译过来的,也可以称为散列表,哈希算法可以快速的存取元素,当我们调用put存值时,HashMap首先会调用Key的hash方法,计算出哈希码,通过哈希码快速找到某个存放位置(桶),这个位置可以被称之为bucketIndex,但可能会存在多个元素找到了相同的bucketIndex,有个专业名词叫碰撞,当碰撞发生时,这时会取到bucketIndex位置已存储的元素,最终通过equals来比较,equals方法就是碰撞时才会执行的方法,所以前面说HashMap很少会用到equals。HashMap通过hashCode和equals最终判断出Key是否已存在,如果已存在,则使用新Value值替换旧Value值,并返回旧Value值,如果不存在 ,则存放新的键值对
最终HashMap的存储结构会有这三种情况,我们当然期望情形3是最少发生的(效率最低)。
HashMap 碰撞问题处理:
碰撞:所谓“碰撞”就上面所述是多个元素计算得出相同的hashCode,在put时出现冲突。
处理方法:
Java中HashMap是利用“拉链法”处理HashCode的碰撞问题。在调用HashMap的put方法或get方法时,都会首先调用hashcode方法,去查找相关的key,当有冲突时,再调用equals方法。hashMap基于hasing原理,我们通过put和get方法存取对象。当我们将键值对传递给put方法时,他调用键对象的hashCode()方法来计算hashCode,然后找到bucket(哈希桶)位置来存储对象。当获取对象时,通过键对象的equals()方法找到正确的键值对,然后返回值对象。HashMap使用链表来解决碰撞问题,当碰撞发生了,对象将会存储在链表的下一个节点中。hashMap在每个链表节点存储键值对对象。当两个不同的键却有相同的hashCode时,他们会存储在同一个bucket位置的链表中。键对象的equals()来找到键值对。
HashMap基本结构概念图:
到目前为止,我们了解了两件事:
1、HashMap通过键的hashCode来快速的存取元素。
2、当不同的对象发生碰撞时,HashMap通过单链表来解决,将新元素加入链表表头,通过next指向原有的元素。单链表在Java中的实现就是对象的引用(复合)。
HashMap.put()和get()源码:
1 /** 2 * Returns the value to which the specified key is mapped, 3 * or if this map contains no mapping for the key. 4 * 5 * 获取key对应的value 6 */ 7 public V get(Object key) { 8 if (key == null) 9 return getForNullKey(); 10 //获取key的hash值 11 int hash = hash(key.hashCode()); 12 // 在“该hash值对应的链表”上查找“键值等于key”的元素 13 for (Entrye = table[indexFor(hash, table.length)]; 14 e != null; 15 e = e.next) { 16 Object k; 17 if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) 18 return e.value; 19 } 20 return null; 21 } 22 23 /** 24 * Offloaded version of get() to look up null keys. Null keys map 25 * to index 0. 26 * 获取key为null的键值对,HashMap将此键值对存储到table[0]的位置 27 */ 28 private V getForNullKey() { 29 for (Entry e = table[0]; e != null; e = e.next) { 30 if (e.key == null) 31 return e.value; 32 } 33 return null; 34 } 35 36 /** 37 * Returns true if this map contains a mapping for the 38 * specified key. 39 * 40 * HashMap是否包含key 41 */ 42 public boolean containsKey(Object key) { 43 return getEntry(key) != null; 44 } 45 46 /** 47 * Returns the entry associated with the specified key in the 48 * HashMap. 49 * 返回键为key的键值对 50 */ 51 final Entry getEntry(Object key) { 52 //先获取哈希值。如果key为null,hash = 0;这是因为key为null的键值对存储在table[0]的位置。 53 int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode()); 54 //在该哈希值对应的链表上查找键值与key相等的元素。 55 for (Entry e = table[indexFor(hash, table.length)]; 56 e != null; 57 e = e.next) { 58 Object k; 59 if (e.hash == hash && 60 ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) 61 return e; 62 } 63 return null; 64 } 65 66 67 /** 68 * Associates the specified value with the specified key in this map. 69 * If the map previously contained a mapping for the key, the old 70 * value is replaced. 71 * 72 * 将“key-value”添加到HashMap中,如果hashMap中包含了key,那么原来的值将会被新值取代 73 */ 74 public V put(K key, V value) { 75 //如果key是null,那么调用putForNullKey(),将该键值对添加到table[0]中 76 if (key == null) 77 return putForNullKey(value); 78 //如果key不为null,则计算key的哈希值,然后将其添加到哈希值对应的链表中 79 int hash = hash(key.hashCode()); 80 int i = indexFor(hash, table.length); 81 for (Entry e = table[i]; e != null; e = e.next) { 82 Object k; 83 //如果这个key对应的键值对已经存在,就用新的value代替老的value。 84 if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) { 85 V oldValue = e.value; 86 e.value = value; 87 e.recordAccess(this); 88 return oldValue; 89 } 90 } 91 92 modCount++; 93 addEntry(hash, key, value, i); 94 return null; 95 }
从HashMap的put()和get方法实现中可以与拉链法解决hashCode冲突解决方法相互印证。并且从put方法中可以看出HashMap是使用Entry
Java8碰撞优化提升
为什么会有这么大的性能提升,尽管这里用的是大O符号(大O描述的是渐近上界)?其实这个优化在JEP-180中已经提到了。如果某个桶中的记录过大的话(当前是TREEIFY_THRESHOLD = 8),HashMap会动态的使用一个专门的treemap实现来替换掉它。这样做的结果会更好,是O(logn),而不是糟糕的O(n)。它是如何工作的?前面产生冲突的那些KEY对应的记录只是简单的追加到一个链表后面,这些记录只能通过遍历来进行查找。但是超过这个阈值后HashMap开始将列表升级成一个二叉树,使用哈希值作为树的分支变量,如果两个哈希值不等,但指向同一个桶的话,较大的那个会插入到右子树里。如果哈希值相等,HashMap希望key值最好是实现了Comparable接口的,这样它可以按照顺序来进行插入。这对HashMap的key来说并不是必须的,不过如果实现了当然最好。如果没有实现这个接口,在出现严重的哈希碰撞的时候,你就并别指望能获得性能提升了。这个性能提升有什么用处?比方说恶意的程序,如果它知道我们用的是哈希算法,它可能会发送大量的请求,导致产生严重的哈希碰撞。然后不停的访问这些key就能显著的影响服务器的性能,这样就形成了一次拒绝服务攻击(DoS)。JDK 8中从O(n)到O(logn)的飞跃,可以有效地防止类似的攻击,同时也让HashMap性能的可预测性稍微增强了一些。