Java HashMap的工作原理
面试的时候经常会遇见诸如：“java中的HashMap是怎么工作的”，“HashMap的get和put内部的工作原理”这样的问题。本文将用一个简单的例子来解释下HashMap内部的工作原理。首先我们从一个例子开始，而不仅仅是从理论上，这样，有助于更好地理解，然后，我们来看下get和put到底是怎样工作的。
我们来看个非常简单的例子。有一个”国家”(Country)类，我们将要用Country对象作为key，它的首都的名字（String类型）作为value。下面的例子有助于我们理解key-value对在HashMap中是如何存储的。
1. Country.java
package org.arpit.javapostsforlearning;
public class Country {
String name;
longpopulation;
publicCountry(String name, longpopulation) {
super();
this.name = name;
this.population = population;
}
publicString getName() {
returnname;
}
publicvoid setName(String name) {
this.name = name;
}
publiclong getPopulation() {
returnpopulation;
}
publicvoid setPopulation(longpopulation) {
this.population = population;
}
// If length of name in country object is even then return 31(any random number) and if odd then return 95(any random number).
// This is not a good practice to generate hashcode as below method but I am doing so to give better and easy understanding of hashmap.
@Override
publicint hashCode() {
if(this.name.length()%2==0)
return31;
else
return95;
}
@Override
publicboolean equals(Object obj) {
Country other = (Country) obj;
if(name.equalsIgnoreCase((other.name)))
returntrue;
returnfalse;
}
}如果想了解更多关于Object对象的hashcode和equals方法的东西，可以参考：
java中的hashcode()和equals()方法
2. HashMapStructure.java(main class)
import java.util.HashMap;
import java.util.Iterator;
public class HashMapStructure {
/**
* @author Arpit Mandliya
*/
publicstatic void main(String[] args) {
Country india=newCountry("India",1000);
Country japan=newCountry("Japan",10000);
Country france=newCountry("France",2000);
Country russia=newCountry("Russia",20000);
HashMap<country,string> countryCapitalMap=newHashMap<country,string>();
countryCapitalMap.put(india,"Delhi");
countryCapitalMap.put(japan,"Tokyo");
countryCapitalMap.put(france,"Paris");
countryCapitalMap.put(russia,"Moscow");
Iterator<country> countryCapitalIter=countryCapitalMap.keySet().iterator();//put debug point at this line
while(countryCapitalIter.hasNext())
{
Country countryObj=countryCapitalIter.next();
String capital=countryCapitalMap.get(countryObj);
System.out.println(countryObj.getName()+"----"+capital);
}
}
}
现在，在第23行设置一个断点，在项目上右击->调试运行(debug as)->java应用(java application)。程序会停在23行，然后在countryCapitalMap上右击，选择“查看”（watch）。将会看到如下的结构：
从上图可以观察到以下几点：
-
有一个叫做table大小是16的Entry数组。
-
这个table数组存储了Entry类的对象。HashMap类有一个叫做Entry的内部类。这个Entry类包含了key-value作为实例变量。我们来看下Entry类的结构。Entry类的结构：
static class Entry implementsMap.Entry
{
finalK key;
V value;
Entry next;
finalint hash;
...//More code goes here
} `
-
每当往hashmap里面存放key-value对的时候，都会为它们实例化一个Entry对象，这个Entry对象就会存储在前面提到的Entry数组table中。现在你一定很想知道，上面创建的Entry对象将会存放在具体哪个位置（在table中的精确位置）。答案就是，根据key的hashcode()方法计算出来的hash值（来决定）。hash值用来计算key在Entry数组的索引。
-
现在，如果你看下上图中数组的索引10，它有一个叫做HashMap$Entry的Entry对象。
-
我们往hashmap放了4个key-value对，但是看上去好像只有2个元素！！！这是因为，如果两个元素有相同的hashcode，它们会被放在同一个索引上。问题出现了，该怎么放呢？原来它是以双向链表(LinkedList)的形式来存储的(逻辑上)。
上面的country对象的key-value的hash值是如何计算出来的。
`
Japan的Hash值是95，它的长度是奇数。
India的Hash值是95，它的长度是奇数。
Russia的Hash值是31，它的长度是偶数。
France，它的长度是偶数。
`
下图会清晰的从概念上解释下链表。
所以，现在假如你已经很好地了解了hashmap的结构，让我们看下put和get方法。
Put :
让我们看下put方法的实现：
/**
* Associates the specified value with the specified key in this map. If the
* map previously contained a mapping for the key, the old value is
* replaced.
*
* @param key
* key with which the specified value is to be associated
* @param value
* value to be associated with the specified key
* @return the previous value associated with <tt>key</tt>, or <tt>null</tt>
* if there was no mapping for <tt>key</tt>. (A <tt>null</tt> return
* can also indicate that the map previously associated
* <tt>null</tt> with <tt>key</tt>.)
*/
publicV put(K key, V value) {
if(key == null)
returnputForNullKey(value);
inthash = hash(key.hashCode());
inti = indexFor(hash, table.length);
for(Entry<k , V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
Object k;
if(e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
returnoldValue;
}
}
modCount++;
addEntry(hash, key, value, i);
returnnull;
}
现在我们一步一步来看下上面的代码。
-
对key做null检查。如果key是null，会被存储到table[0]，因为null的hash值总是0。
-
key的hashcode()方法会被调用，然后计算hash值。hash值用来找到存储Entry对象的数组的索引。有时候hash函数可能写的很不好，所以JDK的设计者添加了另一个叫做hash()的方法，它接收刚才计算的hash值作为参数。如果你想了解更多关于hash()函数的东西，可以参考：hashmap中的hash和indexFor方法
-
indexFor(hash,table.length)用来计算在table数组中存储Entry对象的精确的索引。
-
在我们的例子中已经看到，如果两个key有相同的hash值(也叫冲突)，他们会以链表的形式来存储。所以，这里我们就迭代链表。
- 如果在刚才计算出来的索引位置没有元素，直接把Entry对象放在那个索引上。
- 如果索引上有元素，然后会进行迭代，一直到Entry->next是null。当前的Entry对象变成链表的下一个节点。
- 如果我们再次放入同样的key会怎样呢？逻辑上，它应该替换老的value。事实上，它确实是这么做的。在迭代的过程中，会调用equals()方法来检查key的相等性(key.equals(k))，如果这个方法返回true，它就会用当前Entry的value来替换之前的value。
Get:
现在我们来看下get方法的实现：
/**
* Returns the value to which the specified key is mapped, or {@code null}
* if this map contains no mapping for the key.
*
* <p>
* 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.)
*
* </p><p>
* A return value of {@code null} does not <i>necessarily</i> 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)
*/
publicV get(Object key) {
if(key == null)
returngetForNullKey();
inthash = hash(key.hashCode());
for(Entry<k , V> e = table[indexFor(hash, table.length)]; e !=null; e = e.next) {
Object k;
if(e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))
returne.value;
}
returnnull;
}
当你理解了hashmap的put的工作原理，理解get的工作原理就非常简单了。当你传递一个key从hashmap总获取value的时候：
-
对key进行null检查。如果key是null，table[0]这个位置的元素将被返回。
-
key的hashcode()方法被调用，然后计算hash值。
-
indexFor(hash,table.length)用来计算要获取的Entry对象在table数组中的精确的位置，使用刚才计算的hash值。
-
在获取了table数组的索引之后，会迭代链表，调用equals()方法检查key的相等性，如果equals()方法返回true，get方法返回Entry对象的value，否则，返回null。
要牢记以下关键点：
- HashMap有一个叫做Entry的内部类，它用来存储key-value对。
- 上面的Entry对象是存储在一个叫做table的Entry数组中。
- table的索引在逻辑上叫做“桶”(bucket)，它存储了链表的第一个元素。
- key的hashcode()方法用来找到Entry对象所在的桶。
- 如果两个key有相同的hash值，他们会被放在table数组的同一个桶里面。
- key的equals()方法用来确保key的唯一性。
- value对象的equals()和hashcode()方法根本一点用也没有。