Java 中 HashMap 的工作机制

现在很多的Java程序员都会把HashMap当作一个热门话题，今天我也来说一说Hashmap。
我假设你对HashMap感兴趣，另外我认为你已经了解了HashMap的基础，这里我就不再赘述HashMap是个什么东东，如果对于你来讲HashMap还是一个新概念的话，你可以去看看官方的javadoc.

在继续看下去之前，我推荐你看一看我前面的一篇文章： Java 中正确使用 hashCode 和 equals 方法

目录：
1、一句话回答
2、什么是哈希
3、关于Entry类的一点介绍
4、put()方法实际上做了什么
5、get()方法内部工作机制
6、注意点

一句话回答
如果任何人让我描述一下HashMap的工作机制的话，我就简单的回答：“基于Hash的规则”。这句话非常简单，但是要理解这句话之前，首先我们得了解什么是哈希，不是么？

什么是哈希
哈希简单的说就是对变量/对象的属性应用某种算法后得到的一个唯一的串，用这个串来确定变量/对象的唯一性。一个正确的哈希函数必须遵守这个准则。

当哈希函数应用在相同的对象或者equal的对象的时候，每次执行都应该返回相同的值。换句话说，两个相等的对象应该有相同的hashcode。

注：所有Java对象都从Object类继承了一个默认的hashCode()方法。这个方法将对象在内存中的地址作为整数返回，这是一个很好的hash实现，他确保了不同的对象拥有不同的hashcode。

关于Entry类的一点介绍
一个map的定义是：一个映射键（key）到值（value）的对象。非常简单对吧。

所以，在HashMap中一定有一定的机制来存储这些键值对。使得，HashMap有一个内部类Entry，看起来像这样。

1 static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V>
2 {
3         final K key;
4         V value;
5         Entry<K,V> next;
6         final int hash;
7         ...//More code goes here
8 }

当然，Entry类有属性用来存储键值对映射。key被final标记，除了key和value，我们还能看到两个变量next和hash。接下来我们试着理解这些变量的含义。

put()方法实际上做了什么
再进一步看put方法的实现之前，我们有必要看一看Entry实例在数组中的存储，HashMap中是这样定义的：

1 /**
2      * The table, resized as necessary. Length MUST Always be a power of two.
3      */
4     transient Entry[] table;

现在再来看put方法的实现。

01 /**
02 * Associates the specified value with the specified key in this map.
03 * If the map previously contained a mapping for the key, the old
04 * value is replaced.
05 *
06 * @param key key with which the specified value is to be associated
07 * @param value value to be associated with the specified key
08 * @return the previous value associated with <tt>key</tt>, or
09 *&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; <tt>null</tt> if there was no mapping for <tt>key</tt>.
10 *&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; (A <tt>null</tt> return can also indicate that the map
11 *&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; previously associated <tt>null</tt> with <tt>key</tt>.)
12 */
13 public V put(K key, V value) {
14 if (key == null)
15 return putForNullKey(value);
16 int hash = hash(key.hashCode());
17 int i = indexFor(hash, table.length);
18 for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
19 Object k;
20 if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
21 V oldValue = e.value;
22 e.value = value;
23 e.recordAccess(this);
24 return oldValue;
25 }
26 }
27
28 modCount++;
29 addEntry(hash, key, value, i);
30 return null;
31 }

让我们一步一步的看
首先，检查key是否为null，如果key是null值被存在table[0]的位置，因为null的hashcode始终为0
接下来，通过key的hashCode()方法计算了这个key的hash值，这个hash值被用来计算存储Entry对象的数组中的位置。JDK的设计者假设会有一些人可能写出非常差的hashCode()方法，会出现一些非常大或者非常小的hash值。为了解决这个问题，他们引入了另外一个hash函数，接受对象的hashCode()，并转换到适合数组的容量大小。

接着是indexFor(hash,table,length)方法，这个方法计算了entry对象存储的准确位置。

接下来就是主要的部分，我们都知道两个不相等的对象可能拥有过相同的hashCode值，两个不同的对象是怎么存储在相同的位置[叫做bucket]呢？
答案是LinkedList。如果你记得，Entry类有一个next变量，这个变量总是指向链中的下一个变量，这完全符合链表的特点。

所以，在发生碰撞的时候，entry对象会被以链表的形式存储起来，当一个Entry对象需要被存储的时候，hashmap检查该位置是否已近有了一个entry对象，如果没有就存在那里，如果有了就检查她的next属性，如果是空，当前的entry对象就作为已经存储的entry对象的下一个节点，依次类推。

如果我们给已经存在的key存入另一个value会怎么样的？逻辑上，旧的值将被替换掉。在检测了Entry对象的存储位置后，hashmap将会遍历那个位置的entry链表，对每一个entry调用equals方法，这个链表中的所有对象都具有相同的hashCode()而equals方法都不等。如果发现equals方法有相等的就执行替换。

在这种方式下HashMap就能保证key的唯一性。

get方法的工作机制
现在我们已经了解了HashMap中存储键值对的机制。下一个问题是：怎样从一个HashMap中查询结果。
其实逻辑跟put是一样的，如果传入的key有匹配就将该位置的value返回，如果没有就返回null.

01 /**
02 * Returns the value to which the specified key is mapped,
03 * or {@code null} if this map contains no mapping for the key.
04 *
05 * <p>More formally, if this map contains a mapping from a key
06 * {@code k} to a value {@code v} such that {@code (key==null ? k==null :
07 * key.equals(k))}, then this method returns {@code v}; otherwise
08 * it returns {@code null}.&nbsp; (There can be at most one such mapping.)
09 *
10 * <p>A return value of {@code null} does not <i>necessarily</i>
11 * indicate that the map contains no mapping for the key; it's also
12 * possible that the map explicitly maps the key to {@code null}.
13 * The {@link #containsKey containsKey} operation may be used to
14 * distinguish these two cases.
15 *
16 * @see #put(Object, Object)
17 */
18 public V get(Object key) {
19 if (key == null)
20 return getForNullKey();
21 int hash = hash(key.hashCode());
22 for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];
23 e != null;
24 e = e.next) {
25 Object k;
26 if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))
27 return e.value;
28 }
29 return null;
30 }

上面的代码看起来跟put()方法很像，除了if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))。

注意点

• 存储Entry对象的数据结构是一个叫做Entry类型的table数组。
• 数组中一个特定的索引位置称为bucket,因为它可以容纳一个LinkedList的第一个元素的对象。
• Key对象的hashCode()需要用来计算Entry对象的存储位置。
• Key对象的equals()方法需要用来维持Map中对象的唯一性。
• get()和put()方法跟Value对象的hashCode和equals方法无关。
• null的hashCode总是0，这样的Entry对象总是被存储在数组的第一个位置