【Java 数据结构】模拟实现 HashMap

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目录

1、前言

2、成员变量的设定

3、构造方法

4、hash 方法以及 阈值判断方法

5、put 方法

5、resize 方法

6、get 方法

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1、前言

上期讲解了 HashMap 和 HashSet 的一些相关源码，本期我们就来简单的模拟实现一下 HashMap，当然肯定没有源码那么的复杂，但是简单的结构还是要去实现一下的，当然，这也是数据结构课程中最后一起了，后续博主也会带来 MySQL基础，和 Java EE 一些相关的内容。如果数据结构在学习的过程中，感到特别困难的话，记得多画图，多调试。

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2、成员变量的设定

public class MyHashMap {
    private Entry[] table; //哈希表
    private int size; // 有效数据个数
    private static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f; //负载因子设定
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 6; //默认容量
    
    // 节点
    public static class Entry {
        private K key;
        private V value;
        private Entry next;

        public Entry(K key, V value) {
            this.key = key;
            this.value = value;
        }
    }
}

这里我们采用数组来存储我们的数据，而每个数组的元素是 Entry 这样的节点，Entry 中包含一个 next 引用，用来存放下一个节点，从而实现数组中每个元素可以是一个链表的结构，那么大概是这样的一个结构：

通常我们画数组都是横过来画的，只不过这次我们把数组竖过来画的，这样能更清晰看到链表的结构，从美观上也更漂亮。

简而言之，我们今天实现的结构就是数组元素中放链表的结构，当然涉及到了泛型的知识，如果对泛型还不够了解，可以看下博主 JavaSE 系列泛型的博客。

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3、构造方法

public MyHashMap() {
    this.table = (Entry[])new Entry[DEFAULT_CAPACITY];
    this.size = 0;
}

public MyHashMap(int capacity) {
    this.table = (Entry[])new Entry[capacity];
    this.size = capacity;
}

因为是模拟实现，我们就尽可能的简化，体现出 HashMap 底层的结构即可，这我们就默认令 HashMap 的大小为6，也有一个带参数的构造方法，可以指定哈希表的大小。

有了上述的准备工作，我们这里就可以来实现下主要的几个方法了，主要实现 put，get，resize(扩容)，hash 这些方法。

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4、hash 方法以及 阈值判断方法

这里我们简单设计一下即可，就获取对象的 hashCode % 哈希表的长度即可：

private int hash(K key) {
    return (key == null) ? 0 : key.hashCode() % table.length;
}

判断是否达到阈值，也就是是否超过设定的负载因子了，就需要考虑扩容的情况，上期介绍到，求负载因子：哈希表的长度 / 元素个数，有了这样的公式，那自然就好判断是否到达了阈值了：

private boolean loadFactor() {
    return size * 1.0 / table.length >= DEFAULT_LOAD_FACTOR;
}

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5、put 方法

在 JDK1.7 及之前链表采用的是头插的方式，JDK1.8 及以后采用的是尾插方式，那么我们就来模拟实现一下尾插的一个逻辑。

这里思考插入时的两种情况：

1. 通过 hash 值，得到哈希表的位置上不存在元素，也就是 hash 位置为 null 的情况下。

• 直接在当前哈希表元素 new 一个节点插入即可。

我们就按照上述的两种情况来进行插入元素。

2. 通过 hash 值，得到哈希表的位置上已经存在元素了，也就是 hash 位置 不为 null 的情况下。

• 遍历链表没有与要插入的 key 相同的元素的情况下，直接在最后插入。
• 遍历链表发现了存在相同 key 的元素的情况下，更新 key 对应的 value 值，即可。

分析上述的情况，也有图解的情况，接下来就可以来实现我们的代码了：

public V put(K key, V value) {
    return putVal(hash(key), key, value);
}

private V putVal(int hash, K key, V value) {
    // 通过 hash 值, 找到对应位置
    Entry cur = table[hash];
    Entry prev = null;
    if (cur == null) {
        table[hash] = new Entry<>(key, value);
    }  else {
        while (cur != null) {
            // 碰到相同值的情况
            if (cur.key.equals(key)) {
                cur.value = value; //更新下value值
                return value;
            }
            prev = cur;
            cur = cur.next;
        }
        // prev 后面插入节点
        prev.next = new Entry<>(key, value);
    }
    size++;
    // 判断是否超过了阈值考虑扩容问题。
    if (loadFactor()) {
        resize();
    }
    return value;
}

这里我是采用 prev 记录 cur 的前一个节点，当 cur 为 null 就结束循环了，进行尾插，当然你也可也当 cur.next 为 null，结束循环，最后使得 cur.next = new Entry<>(key，value) 也是可以的。

这里每插入一个元素，都需要判断是否超过了设定的 0.75 的负载因子了，如果超过的话，就需要重新调整哈希表的大小。

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6、resize 方法

给哈希表扩容的目的就是减少冲突的概率，但是这里得考虑到一个问题，可以直接扩容吗？我们 hash 函数设置是 key.hashCode % table.length，那么如果哈希表的长度改变了，之前表中元素 key 对应的 hash 值也会发生改变，所以我们通过新的 hash 值，不一定能找到之前元素的位置了。所以扩容之后，原来表中所有元素的位置都要通过新的 hash 值放入新的位置上。

private void resize() {
    // 重新扩容势必会考虑到一个问题, 重新 hash 的问题
    // 即现在表中的元素, 要通过新的 hash 值, 放入扩容后新的位置上
    // 二倍式扩容
    Entry[] oldTable = table;
    table = (Entry[])new Entry[table.length * 2];
    // 将 oldTable 的数据通过新的 hash, 拷贝进 table 中
    copyData(oldTable);
}

private void copyData(Entry[] oldTable) {
    // 遍历这个 oldTable 将数据拷贝进他 table 中
    for (int i = 0; i < oldTable.length; i++) {
        Entry node = oldTable[i];
        while (node != null) {
            // 不能直接将 node 插入进去, 因为 node.next 后面可能还有其他元素
            // 所以我们要拷贝一份新的 node 进行插入
            Entry insertNode = new Entry<>(node.key, node.value);

            int index = hash(node.key); // node要被hash到的新位置
            Entry cur = table[index];
            // table当前位置没有元素, 直接插入该节点作为链表的头节点
            if (cur == null) {
                table[index] = insertNode;
            } else {
                Entry prev = null;
                // 如果当前数组下标已经有元素了, 就遍历数组中链表往后找
                while (cur != null) {
                    prev = cur;
                    cur = cur.next;
                }
                prev.next = insertNode;
            }
            // 插入 oldTable[i] 当前链表中节点后, node 往后走, 判断还有没有节点需要重新 hash 插入
            node = node.next;
        }
    }
}

表中的每个元素是一个链表，但是需要对个元素进行重新 hash，不能直接移动整条链表，只能拿出每个元素，分别重新 hash 放入新的位置上，所以这里我采取将老节点复制出来进行重新hash。 

这里我也写了一个测试样例，来证明该代码上下文代码结合跑起来扩容后是会重新 hash 放入新的位置的：

public static void main(String[] args) {
    MyHashMap map = new MyHashMap<>();
    map.put(1, 1);
    map.put(17, 2);
    map.put(21, 3);
    map.put(11, 4);
    System.out.println("扩容前: ");
    System.out.println(map);
    map.put(13, 5);
    System.out.println("扩容后: ");
    System.out.println(map);
}

由于默认数组大小是 6，当插入完第五个元素后，则会达到阈值，就需要扩容了，这里我重写了 toString 方法，能看到打印结果就是模拟出数组加链表结构的打印，很明显能看到，扩容前，5 下标位置有 key=17 和 key=11 两个元素，而扩容后 5 下标只剩下 key = 17 一个元素了，而 key=11 则被重新 hash 到了 11 位置下。

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7、get 方法

这个方法就比较简单了，通过传过来的 key 返回对应 key 的 value值，利用传过来 key 通过 hash 函数获取 index 位置，这个位置可能没有元素，可能是一条链表，但链表中也可能不存在key，也可能存在 key，如果 index 位置没有元素，或者遍历 index 位置都没找到 key，那么就返回 null，找到了即返回 key 对应的 value 值即可。代码如下：

public V get(K key) {
    // 通过 hash 获取当前 key 所在的位置
    int index = hash(key);
    // 通过 index 位置找到 key 对应的 value
    Entry cur = table[index];
    while (cur != null) {
        if (cur.key.equals(key)) {
            return cur.value;
        }
        cur = cur.next;
    }
    return null;
}

这次模拟实现 HashMap 相较于源码我们还是简单了很多，主要是练习数组加链表这样的一个结构，和练习重新hash 的一个问题。 那么 Java 实现数据结构初阶的内容到此就告一段落了，完结撒花*★,°*:.☆(￣▽￣)/$:*.°★* 。

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Java 数据结构初阶(完)