深入浅析HashMap的工作原理

这篇文章给大家介绍深入浅析HashMap的工作原理，内容非常详细，感兴趣的小伙伴们可以参考借鉴，希望对大家能有所帮助。

实际上，HashSet 和 HashMap 之间有很多相似之处，对于 HashSet 而言，系统采用 Hash 算法决定集合元素的存储位置，这样可以保证能快速存、取集合元素；对于 HashMap 而言，系统 key-value 当成一个整体进行处理，系统总是根据 Hash 算法来计算 key-value 的存储位置，这样可以保证能快速存、取 Map 的 key-value 对。

在介绍集合存储之前需要指出一点：虽然集合号称存储的是Java 对象，但实际上并不会真正将 Java 对象放入 Set 集合中，只是在 Set 集合中保留这些对象的引用而言。也就是说：Java 集合实际上是多个引用变量所组成的集合，这些引用变量指向实际的 Java 对象。就像引用类型的数组一样，当我们把 Java 对象放入数组之时，并不是真正的把 Java 对象放入数组中，只是把对象的引用放入数组中，每个数组元素都是一个引用变量。

HashMap存储的实现（put()方法）

当程序试图将多个key-value放入HashMap中是，以如下代码片段为例：

 HashMap<String , Double> map = new HashMap<String , Double>(); 
 map.put("语文" , 80.0); 
 map.put("数学" , 89.0); 
 map.put("英语" , 78.2); 

HashMap采用了一种所谓的“Hash算法”来决定每个元素的存储位置。

当程序执行map.put("语文",80.0)时，系统将调用"语文"（即Key）的hashCode()方法得到其hashCode值---每个java对象都有hashCode()方法，都可以通过该方法获得它的hashCode值。得到这个对象的hashCode值之后，系统根据hashCode值来决定 该元素的存储位置。

我们可以看HashMap类的put(K key,V value)方法的源代码：

public V put(K key, V value) 
 { 
  // 如果 key 为 null，调用 putForNullKey 方法进行处理 
  if (key == null) 
   return putForNullKey(value); 
  // 根据 key 的 keyCode 计算 Hash 值 
  int hash = hash(key.hashCode()); 
  // 搜索指定 hash 值在对应 table 中的索引 
  int i = indexFor(hash, table.length); 
  // 如果 i 索引处的 Entry 不为 null，通过循环不断遍历 e 元素的下一个元素 
  for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) 
  { 
   Object k; 
   // 找到指定 key 与需要放入的 key 相等（hash 值相同 
   // 通过 equals 比较放回 true） 
   if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key 
    || key.equals(k))) 
   { 
    V oldValue = e.value; 
    e.value = value; 
   e.recordAccess(this); 
    return oldValue; 
   } 
  } 
  // 如果 i 索引处的 Entry 为 null，表明此处还没有 Entry 
  modCount++; 
  // 将 key、value 添加到 i 索引处 
  addEntry(hash, key, value, i); 
  return null; 
 } 

上面程序中用到了一个重要的内部接口：Map.Entry，每个 Map.Entry 其实就是一个 key-value 对。从上面程序中可以看出：当系统决定存储 HashMap 中的 key-value 对时，完全没有考虑 Entry 中的 value，仅仅只是根据 key 来计算并决定每个 Entry 的存储位置。这也说明了前面的结论：我们完全可以把 Map 集合中的 value 当成 key 的附属，当系统决定了 key 的存储位置之后，value 随之保存在那里即可。

上面方法提供了一个根据 hashCode() 返回值来计算 Hash 码的方法：hash()，这个方法是一个纯粹的数学计算，其方法如下：

static int hash(int h) 
{ 
 h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12); 
 return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4); 
}

对于任意给定的对象，只要它的 hashCode() 返回值相同，那么程序调用 hash(int h) 方法所计算得到的 Hash 码值总是相同的。接下来程序会调用 indexFor(int h, int length) 方法来计算该对象应该保存在 table 数组的哪个索引处。   

indexFor(int h, int length) 方法的代码如下：

static int indexFor(int h, int length) 
{ 
 return h & (length-1); 
}

这个方法非常巧妙，它总是通过 h &(table.length -1) 来得到该对象的保存位置——而 HashMap 底层数组的长度总是 2 的 n 次方，这一点可参看后面关于 HashMap 构造器的介绍。

当 length 总是 2 的倍数时，h & (length-1)将是一个非常巧妙的设计：假设 h=5,length=16, 那么 h & length - 1 将得到 5；如果 h=6,length=16, 那么 h & length - 1 将得到 6 ……如果 h=15,length=16, 那么 h & length - 1 将得到 15；但是当 h=16 时 , length=16 时，那么 h & length - 1 将得到 0 了；当 h=17 时 , length=16 时，那么 h & length - 1 将得到 1 了……这样保证计算得到的索引值总是位于 table 数组的索引之内。

根据上面 put 方法的源代码可以看出，当程序试图将一个 key-value 对放入 HashMap 中时，程序首先根据该 key 的 hashCode() 返回值决定该 Entry 的存储位置：如果两个 Entry 的 key 的 hashCode() 返回值相同，那它们的存储位置相同。如果这两个 Entry 的 key 通过 equals 比较返回 true，新添加 Entry 的 value 将覆盖集合中原有 Entry 的 value，但 key 不会覆盖。如果这两个 Entry 的 key 通过 equals 比较返回 false，新添加的 Entry 将与集合中原有 Entry 形成 Entry 链，而且新添加的 Entry 位于 Entry 链的头部——具体说明继续看 addEntry() 方法的说明。

当向 HashMap 中添加 key-value 对，由其 key 的 hashCode() 返回值决定该 key-value 对（就是 Entry 对象）的存储位置。当两个 Entry 对象的 key 的 hashCode() 返回值相同时，将由 key 通过 eqauls() 比较值决定是采用覆盖行为（返回 true），还是产生 Entry 链（返回 false）。

上面程序中还调用了 addEntry(hash, key, value, i); 代码，其中 addEntry 是 HashMap 提供的一个包访问权限的方法，该方法仅用于添加一个 key-value 对。下面是该方法的代码：

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) 
{ 
 // 获取指定 bucketIndex 索引处的 Entry 
 Entry<K,V> e = table[bucketIndex]; // ①
 // 将新创建的 Entry 放入 bucketIndex 索引处，并让新的 Entry 指向原来的 Entry 
 table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e); 
 // 如果 Map 中的 key-value 对的数量超过了极限
 if (size++ >= threshold) 
  // 把 table 对象的长度扩充到 2 倍。
  resize(2 * table.length); // ②
}

上面方法的代码很简单，但其中包含了一个非常优雅的设计：系统总是将新添加的 Entry 对象放入 table 数组的 bucketIndex 索引处——如果 bucketIndex 索引处已经有了一个 Entry 对象，那新添加的 Entry 对象指向原有的 Entry 对象（产生一个 Entry 链），如果 bucketIndex 索引处没有 Entry 对象，也就是上面程序①号代码的 e 变量是 null，也就是新放入的 Entry 对象指向 null，也就是没有产生 Entry 链。

什么是Map.Entry？

 Map是java中的接口，Map.Entry是Map的一个内部接口。 

          Map提供了一些常用方法，如keySet()、entrySet()等方法，keySet()方法返回值是Map中key值的集合；entrySet()的返回值也是返回一个Set集合，此集合的类型为Map.Entry。 

          Map.Entry是Map声明的一个内部接口，此接口为泛型，定义为Entry<K,V>。它表示Map中的一个实体（一个key-value对）。接口中有getKey(),getValue方法。             

         由以上可以得出，遍历Map的常用方法： 

 1. Map map = new HashMap(); 
   Irerator iterator = map.entrySet().iterator(); 
   while(iterator.hasNext()) { 
     Map.Entry entry = iterator.next(); 
     Object key = entry.getKey(); 
     // 
   } 
  2.Map map = new HashMap(); 
   Set keySet= map.keySet(); 
   Irerator iterator = keySet.iterator; 
   while(iterator.hasNext()) { 
     Object key = iterator.next(); 
     Object value = map.get(key); 
     // 
   }  

        另外，还有一种遍历方法是，单纯的遍历value值，Map有一个values方法，返回的是value的Collection集合。通过遍历collection也可以遍历value,如  

 Map map = new HashMap(); 
  Collection c = map.values(); 
  Iterator iterator = c.iterator(); 
  while(iterator.hasNext()) { 
    Object value = iterator.next(); 
 }

Map.Entry是Map内部定义的一个接口，专门用来保存key→value的内容。Map.Entry的定义如下：

1. public static interface Map.Entry<K,V>

Map.Entry是使用static关键字声明的内部接口，此接口可以由外部通过"外部类.内部类"的形式直接调用。
Map.Entry接口的常用方法

从之前的内容可以知道，在Map的操作中，所有的内容都是通过key→value的形式保存数据的，那么对于集合来讲，实际上是将key→value的数据保存在了Map.Entry的实例之后，再在Map集合中插入的是一个Map.Entry的实例化对象，如下图所示。 

提示：Map.Entry在集合输出时会使用到。

在一般的Map操作中（例如，增加或取出数据等操作）不用去管Map.Entry接口，但是在将Map中的数据全部输出时就必须使用Map.Entry接口

• HashMap 的存储示意

• HashMap 的读取实现（）

当 HashMap 的每个 bucket 里存储的 Entry 只是单个 Entry ——也就是没有通过指针产生 Entry 链时，此时的 HashMap 具有最好的性能：当程序通过 key 取出对应 value 时，系统只要先计算出该 key 的 hashCode() 返回值，在根据该 hashCode 返回值找出该 key 在 table 数组中的索引，然后取出该索引处的 Entry，最后返回该 key 对应的 value 即可。看 HashMap 类的 get(K key) 方法代码：

 public V get(Object key) 
 { 
 // 如果 key 是 null，调用 getForNullKey 取出对应的 value 
 if (key == null) 
 return getForNullKey(); 
 // 根据该 key 的 hashCode 值计算它的 hash 码
 int hash = hash(key.hashCode()); 
 // 直接取出 table 数组中指定索引处的值，
 for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)]; 
 e != null; 
 // 搜索该 Entry 链的下一个 Entr 
 e = e.next) // ①
 { 
 Object k; 
 // 如果该 Entry 的 key 与被搜索 key 相同
 if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key 
 || key.equals(k))) 
 return e.value; 
 } 
 return null; 
 }

从上面代码中可以看出，如果 HashMap 的每个 bucket 里只有一个 Entry 时，HashMap 可以根据索引、快速地取出该 bucket 里的 Entry；在发生“Hash 冲突”的情况下，单个 bucket 里存储的不是一个 Entry，而是一个 Entry 链，系统只能必须按顺序遍历每个 Entry，直到找到想搜索的 Entry 为止——如果恰好要搜索的 Entry 位于该 Entry 链的最末端（该 Entry 是最早放入该 bucket 中），那系统必须循环到最后才能找到该元素。
归纳起来简单地说，HashMap 在底层将 key-value 当成一个整体进行处理，这个整体就是一个 Entry 对象。HashMap 底层采用

一个 Entry[] 数组来保存所有的 key-value 对，当需要存储一个 Entry 对象时，会根据 Hash 算法来决定其存储位置；当需要取出一个 Entry 时，也会根据 Hash 算法找到其存储位置，直接取出该 Entry。由此可见：HashMap 之所以能快速存、取它所包含的 Entry，完全类似于现实生活中母亲从小教我们的：不同的东西要放在不同的位置，需要时才能快速找到它。
当创建 HashMap 时，有一个默认的负载因子（load factor），其默认值为 0.75，这是时间和空间成本上一种折衷：增大负载因子可以减少 Hash 表（就是那个 Entry 数组）所占用的内存空间，但会增加查询数据的时间开销，而查询是最频繁的的操作（HashMap 的 get() 与 put() 方法都要用到查询）；减小负载因子会提高数据查询的性能，但会增加 Hash 表所占用的内存空间。

掌握了上面知识之后，我们可以在创建 HashMap 时根据实际需要适当地调整 load factor 的值；如果程序比较关心空间开销、内存比较紧张，可以适当地增加负载因子；如果程序比较关心时间开销，内存比较宽裕则可以适当的减少负载因子。通常情况下，程序员无需改变负载因子的值。

如果开始就知道 HashMap 会保存多个 key-value 对，可以在创建时就使用较大的初始化容量，如果 HashMap 中 Entry 的数量一直不会超过极限容量（capacity * load factor），HashMap 就无需调用 resize() 方法重新分配 table 数组，从而保证较好的性能。当然，开始就将初始容量设置太高可能会浪费空间（系统需要创建一个长度为 capacity 的 Entry 数组），因此创建 HashMap 时初始化容量设置也需要小心对待。

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