[Java] Object方法浅析(一): equals与hashCode

摘要

• equals描述的是一种等价关系，不仅仅是引用相等
• equals重载需要满足自反性、对称性与传递性
• 任何实例equals(null)需返回false，且多次调用equals返回值不变
• hashCode返回对象的哈希值，多次调用hashCode返回值不变
• hashCode不一定与内存地址相关
• hashCode会发生碰撞
• hashCode与equals密切相关
  • equals返回true的两个实例，hashCode值必须一样
  • hashCode值一样的两个实例，其equals方法返回不一定为true（可能有哈希碰撞等因素）

equals

equals是Object类的一个方法，常用来比较两个对象是否"相等"。当然，equals方法描述的相等是广义的，实际上应该是离散数学中的等价关系。

等价关系（equivalence relation）

等价关系概念

等价关系等同于集合的划分，简单来说就是物品分类，比如定义一个车辆集合Cars，定义分类规则(二元关系)为同种颜色的车，那么所有红色的车划分为一堆(等价类)，所有绿色的车为另一堆。每辆车都存在且只存在于一堆中，所有堆的合起来等同于Cars。

等价关系 - 同种颜色车辆

划分的好处在于每个等价类中的个体都是等价的，均能代表整个类（如红色的普桑可以代表红色的车）。且等价类之间互斥，任何一个元素均只包含在一个等价类中。

equals重载

等价关系不同于相等，它在不同的类中可以有不同的规则，equals在不同类中也被不同重载。

在Object类中，只有同一个对象才被认定为等价。

Object.class  
public boolean equals(Object obj) {
    return (this == obj);
}

而在Integer类中，同为Integer类且值相等则便认为等价，而不仅仅同一个引用。

Integer.class
public boolean equals(Object obj) {
    if (obj instanceof Integer) {
        return value == ((Integer)obj).intValue();
    }
    return false;
}

但无论规则是什么，等价关系必须满足定义的三大原则：

1. 自反性：对于任何非空的x，x.equals(x)都应该返回true。
2. 对称性：对于任何非空x和y，当且仅当x.equals(y)返回true时，    y.equals(x)也应该返回true。
3. 传递性：对于任何非空x,y,z，如果x.equals(y)返回true，y.equals(z)返回true，那么x.equals(z)也应该返回true。

此外，对于Java来说，还需满足另外两个原则：

4. 一致性：如果x和y的引用没有发生变化，多次调用x.equals(y)的结果应该相同。
5. 关于null：对于任何非空的x，x.equals(null)都应该返回false。

例如自定义Person类，当身份证identity号相等时候便可以认为两个实例等价，可以这样写：

 static class Person {

    public String name;
    public long identity;

    public Person(String name, long identity) {
        this.name = name;
        this.identity = identity;
    }

    @Override
    public boolean equals(Object obj) {
        if (obj instanceof Person) {
            if (((Person) obj).identity == this.identity) {
                return true;
            }
        }
        return false;
    }
}

  测试类 
  @Test
  public void testEqual() throws Exception {
        Person x = new Person("aa", 1234);
        Person y = new Person("aa", 12345);
        Person z = new Person("bb", 1234);
        Assert.assertTrue(x.equals(x));
        Assert.assertTrue(x.equals(z));
        Assert.assertTrue(z.equals(x));
        Assert.assertFalse(x.equals(y));
        Assert.assertFalse(x.equals(null));
    }

hashCode

hashCode方法返回的是对象的哈希值。

Object类的hashcode方法取决于JVM的实现，比较典型的一种实现是基于内存地址进行哈希运算，此外也有基于伪随机数的实现。

需要注意的是hashCode与equals一样，多次调用不改变返回值。所以每个对象一旦计算出其identity hash code之后，在该对象死之前都必须保持同一个identity hash code值不可以改变，而不是每次基于内存地址运算（JVM GC会影响内存地址）。

hashCode 与 equals联系

hashCode与equals方法密切相关：两个equals为true的实例必须返回相同的hashCode。这在HashMap等类的使用中是非常有用的。

套用之前的Person类，我们知道Set具有去重功能，但是如果不重写hashCode，纵然两个Person实例是等价的，也是不能达到去重的效果

public void testHash() throws Exception {
    HashSet set = new HashSet<>();
    Person a = new Person("123", 123);
    Person b = new Person("123", 123);
    set.add(a);
    set.add(b);
    System.out.print("set size : " + set.size());
}

 输出 
 set size : 2

下面重写hashCode方法使其与equals方法相关

@Override
public int hashCode() {
      return (int) identity;
}

重新run后输出
set size : 1

显然这样比较符合人的习惯，这种影响广泛存在于基于hashCode的容器类中，例如HashMap的contains方法等。

所以，一般来说重写了equals方法就需要重写hashCode方法。比如Object中equals判断的是否为相同的引用，因此hashCode基于引用内存地址返回。在Integer中判断的是Integer的value值，因此hashCode值则直接返回的是value值。

哈希碰撞

但需要注意的是，hashCode相同的两个实例，equals方法不一定会返回true。因为hashCode是一种空间映射函数，空间大的数据映射至小空间则势必会产生哈希碰撞。

空间映射

举个简单的例子

String.class
public int hashCode() {
    int h = hash;
    if (h == 0 && count > 0) {
        for (int i = 0; i < count; i++) {
            h = 31 * h + charAt(i);
        }
        hash = h;
    }
    return h;
}

上述代码为String源码，String的hashCode方法上转换成函数等同于：

hashCode = s[0]*31^(n-1) + s[1]*31^(n-2) + ... + s[n-1]  

简单来说就是讲其字符转换成31进制。

我们这样构造两个String实例

public void testHash() throws Exception {
    char A = 1;
    char B = 2;
    char C = 33;

    String aString = String.valueOf(A) + String.valueOf(B);
    String bString = String.valueOf(C);

    System.out.println("aString length: " + aString.length());
    System.out.println("bString length: " + bString.length());
    System.out.println("aString equals bString: " + aString.equals(bString));
    System.out.println("aString hashCode: " + aString.hashCode());
    System.out.println("bString hashCode: " + bString.hashCode());
}

输出为：

aString length: 2
bString length: 1
aString equals bString: false
aString hashCode: 33
bString hashCode: 33

显然，两个完全不一样的String对象产生可哈希碰撞。

关于数字31的引申

String equals方法中选31也是为了减少哈希碰撞，引用Effective Java中的原话来说

《Effective Java》

之所以选择31，是因为它是个奇素数。
如果乘数是偶数，并且乘法溢出的话，信息就会丢失，因为与2相乘等价于移位运算。
使用素数的好处并不是很明显，但是习惯上都使用素数来计算散列结果。
31有个很好的特性，就是用移位和减法来代替乘法，可以得到更好的性能：31*i==(i<<5)-i。现在的VM可以自动完成这种优化。

关于奇数，在计算机中，一个数乘偶数表现为该数字左移n位，余位补0，因此可能造成信息丢失。比方说，一个二进制数字X4就可能导致两位数字丢失。

1010 0110  ->  10011000

而奇数则没有这个问题，因为任何一个奇数都可以转换为2的n次方+1，表现在计算机中则是左移n位再加上自己。

所以我们同样可以选择31进制作为hashCode的一种计算方式。