[Java基础要义] HashMap的设计原理和实现分析

          HashMap在Java开发中有着非常重要的角色地位，每一个Java程序员都应该了解HashMap。

    本文主要从源码角度来解析HashMap的设计思路，并且详细地阐述HashMap中的几个概念，并深入探讨HashMap的内部结构和实现细节，讨论HashMap的性能问题，并且在文中贯穿着一些关于HashMap常见问题的讨论。    

读完本文，你会了解到：     1. HashMap的设计思路和内部结构组成

         2. HashMap中的一些概念： 什么是阀值？为什么会有阀值？什么是加载因子？它们有什么作用？

         3. HashMap的性能问题以及使用事项

         4. HashMap的源码实现解析

         5. 为什么JDK建议我们重写Object.equals(Object obj)方法时，需要保证对象可以返回相同的hashcode值？

1. HashMap设计思路以及内部结构组成

HashMap设计思路

     Map是一种以键值对存储数据的容器，而HashMap则是借助了键值Key的hashcode值来组织存储，使得可以非常快速和高效地地根据键值key进行数据的存取。

     对于键值对，HashMap内部会将其封装成一个对应的Entry对象，即Entry对象是键值对的组织形式；

     对于每个对象而言，JVM都会为其生成一个hashcode值。HashMap在存储键值对Entry的时候，会根据Key的hashcode值，以某种映射关系，决定应当将这对键值对Entry存储在HashMap中的什么位置上；

     当通过Key值取数据的时候，然后根据Key值的hashcode，以及内部映射条件，直接定位到Key对应的Value值存放在什么位置，可以非常高效地将Value值取出。

    

为了实现上述的设计思路，在HashMap内部，采用了数组+链表的形式来组织键值对Entry。

HashMap内部维护了一个Entry[] table 数组，当我们使用 new HashMap()创建一个HashMap时，Entry[] table 的默认长度为16。Entry[] table的长度又被称为这个HashMap的容量（capacity）；

对于Entry[] table的每一个元素而言，或为null，或为由若干个Entry组成的链表。HashMap中Entry的数目被称为HashMap的大小(size);

Entry[] table中的某一个元素及其对应的Entry又被称为桶(bucket);     

其结构如下图所示：

    HashMap内部组织结构由上图所示，现在来看一下HashMap的基本工作流程：

2. 什么是阀值？为什么会有阀值？什么是加载因子？它们有什么作用？

        HashMap设计的初衷，是为了尽可能地迅速根据Key的hashCode值, 直接就可以定位到对应的Entry对象，然后得到Value。

      请读者考虑这样一个问题：

      当我们使用 HashMap map = new HashMap()语句时，我们会创建一个HashMap对象，它内部的 Entry[] table的大小为 16，我们假定Entry[] table的大小会改变。现在，我们现在向它添加160对Key值完全不同的键值对，那么，该HashMap内部有可能下面这种情况：即对于每一个桶中的由Entry组成的链表的长度会非常地长！我们知道，对于查找链表操作的时间复杂度是很高的，为O(n)。这样的一个HashMap的性能会很低很低，如下图所示：

现在再来分析一下这个问题，当前的HashMap能够实现：

     1. 根据Key的hashCode，可以直接定位到存储这个Entry的桶所在的位置，这个时间的复杂度为O(1)；

     2. 在桶中查找对应的Entry对象节点，需要遍历这个桶的Entry链表，时间复杂度为O(n);

   那么，现在，我们应该尽可能地将第2个问题的时间复杂度o(n)降到最低，读者现在是不是有想法了：我们应该要求桶中的链表的长度越短越好！桶中链表的长度越短，所消耗的查找时间就越低，最好就是一个桶中就一个Entry对象节点就好了！

     这样一来，桶中的Entry对象节点要求尽可能第少，这就要求，HashMap中的桶的数量要多了。

     我们知道，HashMap的桶数目，即Entry[] table数组的长度，由于数组是内存中连续的存储单元，它的空间代价是很大的，但是它的随机存取的速度是Java集合中最快的。我们增大桶的数量，而减少Entry链表的长度，来提高从HashMap中读取数据的速度。这是典型的拿空间换时间的策略。

      但是我们不能刚开始就给HashMap分配过多的桶(即Entry[] table 数组起始不能太大)，这是因为数组是连续的内存空间，它的创建代价很大，况且我们不能确定给HashMap分配这么大的空间，它实际到底能够用多少，为了解决这一个问题，HashMap采用了根据实际的情况，动态地分配桶的数量。

     

HashMap 的权衡策略

   要动态分配桶的数量，这就要求要有一个权衡的策略了，HashMap的权衡策略是这样的：

             如果

                         HashMap的大小> HashMap的容量(即Entry[] table的大小)*加载因子(经验值0.75)

               则

                         HashMap中的Entry[] table 的容量扩充为当前的一倍；

                        然后重新将以前桶中的Entry链表重新分配到各个桶中

上述的  HashMap的容量(即Entry[] table的大小) * 加载因子(经验值0.75)就是所谓的阀值(threshold)：

                

            最后，请读者看一个实例：

             默认创建的HashMap map =new HashMap();map的容量是 16，那么，当我们往 map中添加第几个完全不同的键值对时，HashMap的容量会扩充呢？ 

          呵呵，很简单的计算：由于默认的加载因子是0.75 ，那么，此时map的阀值是 16*0.75 = 12，即添加第13 个键值对的时候，map的容量会扩充一倍。

            这时候读者可能会有疑问：本来Entry[] table的容量是16，当放入12个键值对后，不是至少还剩下4个Entry[] table 元素没有被使用到吗？这不是浪费了宝贵的空间了吗？！   确实如此，但是为了尽可能第减少桶中的Entry链表的长度，以提高HashMap的存取性能，确定的这个经验值。如果读者你对存取效率要求的不是太高，想省点空间的话，你可以new HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)构造方法将这个因子设置得大一些也无妨。

    

2. HashMap的算法实现解析

       HashMap的算法实现最重要的两个是put() 和get() 两个方法，下面我将分析这两个方法：

public V put(K key, V value);
public V get(Object key); 

     另外，HashMap支持Key值为null 的情况，我也将详细地讨论这个问题。

    1. 向HashMap中存储一对键值对流程---put()方法实现：

put()方法-向HashMap存储键值对

a.  获取这个Key的hashcode值，根据此值确定应该将这一对键值对存放在哪一个桶中，即确定要存放桶的索引；

b.  遍历所在桶中的Entry链表，查找其中是否已经有了以Key值为Key存储的Entry对象，

c1. 若已存在，定位到对应的Entry,其中的Value值更新为新的Value值；返回旧值；

c2. 若不存在，则根据键值对 创建一个新的Entry对象，然后添加到这个桶的Entry链表的头部。

d.  当前的HashMap的大小(即Entry节点的数目)是否超过了阀值，若超过了阀值(threshold)，则增大HashMap的容量(即Entry[] table 的大小)，并且重新组织内部各个Entry排列。

详细流程如下列的代码所示：

    /**
     * 将键值对存到HashMap中，如果Key在HashMap中已经存在，那么最终返回被替换掉的Value值。
     * Key 和Value允许为空
     */
    public V put(K key, V value) {
        
    	//1.如果key为null，那么将此value放置到table[0],即第一个桶中
    	if (key == null)
            return putForNullKey(value);
    	//2.重新计算hashcode值，
        int hash = hash(key.hashCode());
        //3.计算当前hashcode值应当被分配到哪一个桶中，获取桶的索引
        int i = indexFor(hash, table.length);
        //4.循环遍历该桶中的Entry列表
        for (Entry e = table[i]; e != null; e = e.next) {
            Object k;
            //5. 查找Entry链表中是否已经有了以Key值为Key存储的Entry对象,
            //已经存在,则将Value值覆盖到对应的Entry对象节点上
            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {//请读者注意这个判定条件，非常重要！！！
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;
            }
        }
        modCount++;
        //6不存在，则根据键值对 创建一个新的Entry对象，然后添加到这个桶的Entry链表的头部。
        addEntry(hash, key, value, i);
        return null;
    }

    /**
     * Key 为null,则将Entry放置到第一桶table[0]中
     */
    private V putForNullKey(V value) {
        for (Entry e = table[0]; e != null; e = e.next) {
            if (e.key == null) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;
            }
        }
        modCount++;
        addEntry(0, null, value, 0);
        return null;
    }

    /**
     * 根据特定的hashcode 重新计算hash值，
     * 由于JVM生成的的hashcode的低字节(lower bits)冲突概率大，（JDK只是这么一说，至于为什么我也不清楚）
     * 为了提高性能，HashMap对Key的hashcode再加工，取Key的hashcode的高字节参与运算
     */
    static int hash(int h) {
        // This function ensures that hashCodes that differ only by
        // constant multiples at each bit position have a bounded
        // number of collisions (approximately 8 at default load factor).
        h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
        return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
    }

    /**
     * 返回此hashcode应当分配到的桶的索引
     */
    static int indexFor(int h, int length) {
        return h & (length-1);
    }

当HashMap的大小大于阀值时，HashMap容量的扩充算法 当当前的HashMap的大小大于阀值时，HashMap会对此HashMap的容量进行扩充，即对内部的Entry[] table 数组进行扩充。
HashMap对容量（Entry[] table数组长度） 有两点要求：

1. 容量的大小应当是 2的N次幂；
2. 当容量大小超过阀值时，容量扩充为当前的一倍；

这里第2点很重要,如果当前的HashMap的容量为16，需要扩充时，容量就要变成16*2 = 32,接着就是32*2=64、64*2=128、128*2=256.........可以看出，容量扩充的大小是呈指数级的级别递增的。

    这里容量扩充的操作可以分为以下几个步骤：

       1. 申请一个新的、大小为当前容量两倍的数组；

     2.  将旧数组的Entry[] table中的链表重新计算hash值，然后重新均匀地放置到新的扩充数组中；

     3.  释放旧的数组；

由上述的容量扩充的步骤来看，一次容量扩充的代价非常大，所以在容量扩充时，扩充的比例为当前的一倍，这样做是尽量减少容量扩充的次数。

为了提高HashMap的性能：

               1.在使用HashMap的过程中，你比较明确它要容纳多少Entry，你应该在创建HashMap的时候直接指定它的容量；

               2. 如果你确定HashMap的使用的过程中，大小会非常大，那么你应该控制好 加载因子的大小，尽量将它设置得大些。避免Entry[] table过大，而利用率觉很低。

    /**
     * Rehashes the contents of this map into a new array with a
     * larger capacity.  This method is called automatically when the
     * number of keys in this map reaches its threshold.
     *
     * If current capacity is MAXIMUM_CAPACITY, this method does not
     * resize the map, but sets threshold to Integer.MAX_VALUE.
     * This has the effect of preventing future calls.
     *
     * @param newCapacity the new capacity, MUST be a power of two;
     *        must be greater than current capacity unless current
     *        capacity is MAXIMUM_CAPACITY (in which case value
     *        is irrelevant).
     */
    void resize(int newCapacity) {
        Entry[] oldTable = table;
        int oldCapacity = oldTable.length;
        if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return;
        }

        Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
        transfer(newTable);
        table = newTable;
        threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
    }
    
    /**
     * Transfers all entries from current table to newTable.
     */
    void transfer(Entry[] newTable) {
        Entry[] src = table;
        int newCapacity = newTable.length;
        for (int j = 0; j < src.length; j++) {
            Entry e = src[j];
            if (e != null) {
                src[j] = null;
                do {
                    Entry next = e.next;
                    int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
                    e.next = newTable[i];
                    newTable[i] = e;
                    e = next;
                } while (e != null);
            }
        }
    }

为什么JDK建议我们重写Object.equals(Object obj)方法时，需要保证对象可以返回相同的hashcode值？

Java程序员都看过JDK的API文档，该文档关于Object.equals(Object obj)方法，有这样的描述：

   “注意：当此方法被重写时，通常有必要重写hashCode 方法，以维护hashCode 方法的常规协定，该协定声明相等对象必须具有相等的哈希码。”

读者虽然知道这个协定，但是不一定真正知道为什么会有这一个要求，现在，就来看看原因吧。

请读者再注意看一下上述的额put()方法实现，当遍历某个桶中的Entry链表来查找Entry实例的过程中所使用的判断条件：

for (Entry e = table[i]; e != null; e = e.next) {
            Object k;
            //5. 查找Entry链表中是否已经有了以Key值为Key存储的Entry对象,
            //已经存在,则将Value值覆盖到对应的Entry对象节点上
            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;
            }
        }

对于给定的Key,Value，判断该Key是否与Entry链表中有某一个Entry对象的Key值相等使用的是(k==e.key)==key) || key.equals(k)，另外还有一个判断条件：即Key经过hash函数转换后的hash值和当前Entry对象的hash属性值相等（该hash属性值和Entry内的Key经过hash方法转换后的hash值相等）。

    上述的情况我们可以总结为；HashMap在确定Key是否在HashMap中存在的要求有两个：

           1. Key值是否相等；

      2. hashcode是否相等；

      所以我们在定义类时，如果重写了equals()方法，但是hashcode却没有保证相等，就会导致当使用该类实例作为Key值放入HashMap中，会出现HashMap“工作异常”的问题，会出现你不希望的情况。下面让我们通过一个例子来看看这个“工作异常”情况：

例子： 定义一个简单Employee类，重写equals方法，而没有重写hashCode()方法。然后使用该类创建两个实例，放置到一个HashMap中：

package com.louis.hashlearning;

/**
 * 简单Employee Bean，重写equals方法,未重写hashCode()方法
 * @author louluan
 */
public class Employee {
	
	private String employeeCode;
	private String name;
	
	public Employee(String employeeCode, String name) {
		this.employeeCode = employeeCode;
		this.name = name;
	}
	
	public String getEmployeeCode() {
		return employeeCode;
	}
	public String getName() {
		return name;
	}
	
	@Override
	public boolean equals(Object o)
	{
		if(o instanceof Employee)
		{
			Employee e = (Employee)o;
			if(this.employeeCode.equals(e.getEmployeeCode()) && name.equals(e.getName()))
			{
				return true;
			}
		}
		return false;
	}
}

package com.louis.hashlearning;
import java.util.HashMap;

public class Test {
	
	public static void main(String[] args) {
		Employee em1= new Employee("123","louis");
		Employee em2= new Employee("123","louis");
		boolean equals= em1.equals(em2);
		System.out.println("em1 equals em2 ? " +equals);
		
		HashMap map = new HashMap();
		map.put(em1, "test1");
		map.put(em2, "test2");
		System.out.println("map size:"+map.size());
	}

}

 输出结果：

   结果分析：

        上述的例子中，我们使用了new Employee("123","louis"); 语句创建了两个完全一样的对象em1,em2，对我们来说，它们就是相同的对象，然后，我们将这两个我们认为相等的对象作为Key值放入HashMap中，我们想要的结果是：HashMap中的Entry键值对数目应该就一个，并且Entry对象的Value值应该是由"test1" 替换成"test2",但是实际的结果是：HashMap的大小为2，即HashMap中有两个Entry键值对！！！

        原因现在读者清晰了：因为em1和em2对象的hashCode()继承自Object，它们返回两个不同的值，即em1 和em2的hashcode值不相同。

从上面的这个例子可以看出：

         我们重写Object.equals(Object obj)方法时，需要保证对象可以返回相同的hashcode。否则，HashMap工作的时候会有不可控的异常情况出现。

           

     2.   get() 方法的实现：

            根据特定的Key值从HashMap中取Value的结果就比较简单了：          

get()方法-根据Key从HashMap中取Value

a.  获取这个Key的hashcode值，根据此hashcode值决定应该从哪一个桶中查找；

b.  遍历所在桶中的Entry链表，查找其中是否已经有了以Key值为Key存储的Entry对象，

c1. 若已存在，定位到对应的Entry,返回value

c2. 若不存在，返回null；

具体算法如下：

    /**
     * Returns the value to which the specified key is mapped,
     * or {@code null} if this map contains no mapping for the key.
     *  返回key对应的Value值，如果HashMap中没有，则返回null；
     *  支持Key为null情况
     * 
More formally, if this map contains a mapping from a key
     * {@code k} to a value {@code v} such that {@code (key==null ? k==null :
     * key.equals(k))}, then this method returns {@code v}; otherwise
     * it returns {@code null}.  (There can be at most one such mapping.)
     *
     * 
A return value of {@code null} does not necessarily
     * indicate that the map contains no mapping for the key; it's also
     * possible that the map explicitly maps the key to {@code null}.
     * The {@link #containsKey containsKey} operation may be used to
     * distinguish these two cases.
     *
     * @see #put(Object, Object)
     */
    public V get(Object key) {
        if (key == null)
            return getForNullKey();
        int hash = hash(key.hashCode());
        //遍历列表
        for (Entry e = table[indexFor(hash, table.length)];
             e != null;
             e = e.next) {
            Object k;
            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))
                return e.value;
        }
        return null;
    }

      3.HashMap对Key为null情况的支持

             HashMap允许Key以null的形式存取，Hashmap会将Key为null组成的Entry放置到table[0],即第一个桶中，在put()和get()操作时，会先对Key 为null的值特殊处理：

    /**
     * Offloaded version of get() to look up null keys.  Null keys map
     * to index 0.  This null case is split out into separate methods
     * for the sake of performance in the two most commonly used
     * operations (get and put), but incorporated with conditionals in
     * others.
     * get 操作
     */
    private V getForNullKey() {
        for (Entry e = table[0]; e != null; e = e.next) {
            if (e.key == null)
                return e.value;
        }
        return null;
    }

    /**
     * Key 为null,则将Entry放置到第一桶table[0]中
     */
    private V putForNullKey(V value) {
        for (Entry e = table[0]; e != null; e = e.next) {
            if (e.key == null) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;
            }
        }
        modCount++;
        addEntry(0, null, value, 0);
        return null;
    }

     4. 键值对Entry的移除----remove(key)方法的实现

根据key值移除键值对的操作也比较简单，内部关键的流程分为两个：

1. 根据Key的hashcode 值和Key定位到Entry 对象在HashMap中的位置；

2. 由于Entry是一个链表元素，之后便是链表删除节点的操作了；

    /**
     * Removes the mapping for the specified key from this map if present.
     *
     * @param  key key whose mapping is to be removed from the map
     * @return the previous value associated with key, or
     *         null if there was no mapping for key.
     *         (A null return can also indicate that the map
     *         previously associated null with key.)
     */
    public V remove(Object key) {
        Entry e = removeEntryForKey(key);
        return (e == null ? null : e.value);
    }

    /**
     * Removes and returns the entry associated with the specified key
     * in the HashMap.  Returns null if the HashMap contains no mapping
     * for this key.
     */
    final Entry removeEntryForKey(Object key) {
        int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());
        int i = indexFor(hash, table.length);
        Entry prev = table[i];
        Entry e = prev;

        while (e != null) {
            Entry next = e.next;
            Object k;
            if (e.hash == hash &&
                ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
                modCount++;
                size--;
                if (prev == e)
                    table[i] = next;
                else
                    prev.next = next;
                e.recordRemoval(this);
                return e;
            }
            prev = e;
            e = next;
        }

        return e;
    }

4. HashMap的特点总结：

        1. HashMap是线程不安全的，如果想使用线程安全的,可以使用Hashtable；它提供的功能和Hashmap基本一致。HashMap实际上是一个Hashtable的轻量级实现；

      2. 允许以Key为null的形式存储键值对；

      3. HashMap的查找效率非常高，因为它使用Hash表对进行查找，可直接定位到Key值所在的桶中；

      4. 使用HashMap时，要注意HashMap容量和加载因子的关系，这将直接影响到HashMap的性能问题。加载因子过小，会提高HashMap的查找效率，但同时也消耗了大量的内存空间，加载因子过大，节省了空间，但是会导致HashMap的查找效率降低。