Java基础——equals和hashcode

目录

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equals 和 hashCode 的关系

哈希表的工作原理

为什么 equals 和 hashCode 必须保持一致性？

HashSet

HashSet 的基本工作原理

hashCode 和 equals 如何协作

哈希冲突 

为什么会发生哈希冲突？

如何处理哈希冲突？

哈希冲突的影响

如何降低哈希冲突的发生

总结

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equals和hashCode的关系

1. 基本规则：

   • 如果两个对象根据 equals 方法被认为是相等的，那么它们的 hashCode 值必须相等。
   • 如果两个对象的 hashCode 值相等，它们不一定通过 equals 方法相等。

2. 原因：

   • 哈希表数据结构（如 HashMap、HashSet）使用对象的哈希码（hashCode）来快速查找对象。
   • 当你向 HashSet 中添加一个对象时，集合会先调用该对象的 hashCode 方法来找到该对象应放置的“桶”（bucket）。
   • 如果在桶中找到了对象的哈希码相同的其他对象，集合会再调用 equals 方法来判断这些对象是否真正相等。

equals 方法

        用于比较两个对象的内容是否相同。

        默认情况下（如果没有重写），Object类中的equals方法是比较两个对象的内存地址（即引用），只有当两个引用指向同一个对象时才返回true。

哈希表的工作原理

• 哈希码 (hashCode) 用于快速定位对象： 哈希表使用哈希码来将对象分配到不同的“桶”中，从而加速查找过程。哈希码相同的对象会被放置在同一个桶中。

• 相等 (equals) 方法 用于在桶中比较对象： 当两个对象的哈希码相同（即它们位于同一个桶中），哈希表会使用 equals 方法来逐一比较这些对象，以判断它们是否真的是相等的。

为什么 equals 和 hashCode 必须保持一致性？

• 假设两个对象相等（x.equals(y) 返回 true），但它们的哈希码不同（x.hashCode() != y.hashCode()）：

  • 在这种情况下，如果将其中一个对象添加到 HashSet 中，然后查找另一个对象，哈希表会去不同的桶中查找，这样可能找不到它。
  • 这违背了 HashSet 等集合的合同，即它们不允许重复对象（根据 equals 方法判断相等）。

• 如果两个对象的哈希码相同（x.hashCode() == y.hashCode()），但它们不相等（x.equals(y) 返回 false）：

  • 这是可以的，因为哈希表会使用 equals 方法来判断真正的相等性。唯一的影响是性能上的下降，因为桶中的对象数量增加了。

HashSet

HashSet 的基本工作原理

HashSet 是基于 哈希表 实现的集合，它用于存储没有重复值的对象。它的效率很高，通常 add、remove 和 contains 操作都可以在常量时间（O(1)）内完成。然而，这种高效率依赖于正确实现 hashCode 和 equals 方法。

工作步骤：

1. 添加元素到 HashSet 中： 当你调用 HashSet 的 add 方法时，HashSet 会先调用该对象的 hashCode 方法计算出该对象的哈希码。

2. 查找存储桶（bucket）： HashSet 使用哈希码来决定将该对象存储在哪个 桶（bucket） 中。每个桶可以包含多个对象（这是处理哈希冲突的方式）。桶是 HashSet 中用于存储对象的数组中的某个位置。

3. 检查对象的相等性： 如果哈希表中已经有其他对象在相同的桶中，HashSet 会通过调用 equals 方法逐个比较这些对象，看看新对象是否已经存在。如果 equals 返回 true，则 HashSet 不会再插入这个对象，因为集合中不能有重复的对象。

4. 添加到集合： 如果 hashCode 和 equals 都确认新对象与集合中的任何对象都不相等，HashSet 就会把这个新对象放入集合中。

hashCode 和 equals 如何协作

1. hashCode 用于快速定位

• 当插入或查找元素时，HashSet 首先根据对象的 hashCode 值找到相应的桶（bucket）。
• 哈希码的作用是将对象分散到不同的桶中，以提高查询效率。

2. equals 用于精确比较

• 因为不同对象可能有相同的 hashCode 值（称为哈希冲突），所以 HashSet 在找到对应的桶后，还需要进一步用 equals 方法检查桶中是否有真正相等的对象。
• 如果 equals 返回 true，表示这个对象已经存在，不再添加。

哈希冲突 

哈希冲突（Hash Collision）是在使用哈希表或类似的数据结构时，两个或多个不同的对象生成了相同的哈希码（hashCode），导致它们被存储在哈希表的同一个位置（即同一个桶，bucket）。虽然哈希码相同，但这些对象在逻辑上是不相等的（equals 返回 false）。

为什么会发生哈希冲突？

哈希码的范围是有限的（通常是32位整数），但可能存储的对象组合是无限的。因此，不同的对象有可能生成相同的哈希值，这是哈希冲突发生的根本原因。

如何处理哈希冲突？

现代哈希表通过多种方式处理哈希冲突，以下是常见的两种方法：

1. 链地址法（Separate Chaining）：

   • 当多个对象具有相同的哈希值时，它们会存储在同一个“桶”中，而每个桶内部可以通过链表、树等数据结构来存放多个对象。
   • 当需要查找对象时，先通过哈希值找到对应的桶，然后再在桶内通过逐个比较 equals 来找到目标对象。

2. 开放地址法（Open Addressing）：

   • 这种方法不使用链表，而是当哈希冲突发生时，直接寻找哈希表中下一个可用的位置（通过某种探查策略，如线性探查、二次探查等），将对象存储到其他空闲位置。

哈希冲突的影响

• 哈希冲突会导致哈希表的性能下降，因为需要处理冲突的额外操作，如遍历链表或进行线性探查。
• 当冲突过多时，哈希表的操作效率会从理想的 O(1) 降到 O(n)，特别是在极端情况下（例如所有对象都被放入同一个桶中）。

如何降低哈希冲突的发生

1. 使用良好的哈希码算法：

   • 避免简单的哈希计算，如直接返回某个字段的值。
   • Java 中常用的做法是结合对象的多个字段进行哈希码的计算，并使用质数乘数（例如 31）来减少冲突。

2. 均匀分布哈希码：

   • 确保 hashCode 方法生成的哈希值在可能的范围内尽量均匀分布。
   • 不同的对象应该有不同的哈希码，即使它们的某些属性相同。

哈希冲突是不可避免的，因为哈希码的范围有限，而对象的可能组合是无限的。因此，即使是使用良好的哈希算法，也难以避免冲突。 

总结

在 Java 中，`equals` 和 `hashCode` 方法密切相关，必须保持一致性：如果两个对象通过 `equals` 方法相等，它们的 `hashCode` 也必须相同。这对于基于哈希的数据结构（如 `HashMap`、`HashSet`）至关重要，因为这些结构依赖哈希值进行快速查找和存储。为了减少哈希冲突，`hashCode` 的计算通常结合多个字段，并使用质数（如 31）进行乘法，以保证哈希值的均匀分布和较低的冲突率。设计良好的 `equals` 和 `hashCode` 方法可以确保对象比较的准确性与哈希结构的高效性。