Java HashMap的工作原理

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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;
 long population;
 
 public Country(String name, long population) {
  super();
  this.name = name;
  this.population = population;
 }
 public String getName() {
  return name;
 }
 public void setName(String name) {
  this.name = name;
 }
 public long getPopulation() {
  return population;
 }
 public void setPopulation(long population) {
  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
 public int hashCode() {
  if(this.name.length()%2==0)
   return 31;
  else
   return 95;
 }
 @Override
 public boolean equals(Object obj) {
 
  Country other = (Country) obj;
   if (name.equalsIgnoreCase((other.name)))
   return true;
  return false;
 }
 
}

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
     */
    public static void main(String[] args) {
           
        Country india=new Country("India",1000);
        Country japan=new Country("Japan",10000);
           
        Country france=new Country("France",2000);
        Country russia=new Country("Russia",20000);
           
        HashMap<country,string> countryCapitalMap=new HashMap<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：

  1. 有一个叫做table大小是16的Entry数组。

  2. 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 implements Map.Entry
{
        finalK key;
        V value;
        Entry next;
        finalinthash;
        ...//More code goes here
}  

  1. 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。

  2. 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。

  3. 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。

`

<code>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。
</code>

`

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>.)
  */
 public V put(K key, V value) {
  if (key == null)
   return putForNullKey(value);
  int hash = hash(key.hashCode());
  int i = 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);
    return oldValue;
   }
  }
 
  modCount++;
  addEntry(hash, key, value, i);
  return null;
 }

现在我们一步一步来看下上面的代码。

  1. 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。

  2. 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

  3. indexFor(hash,table.length)用来计算在table数组中存储Entry对象的精确的索引。

  4. 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。

需要注意以下两点：    

第一，然后我们来看看计算了hash值，并用该hash值来求得哈希表中的索引值之后，如何把该key-value插入到该索引的链表中： 
　　调用 addEntry(hash, key, value, i) 方法： 

           void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {

          //如果size大于极限容量，将要进行重建内部数据结构操作，之后的容量是原来的两倍，并且重新设置hash值和hash值在table中的索引值

          if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {

                    resize(2 * table.length);

                    hash = (null != key) ? hash(key) : 0;

                    bucketIndex = indexFor(hash, table.length);

           }

         //真正创建Entry节点的操作

         createEntry(hash, key, value, bucketIndex);

         }

 

          void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {

                Entry<K,V> e = table[bucketIndex];

                table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);

                size++;

            }

   从上面的代码可以看出，首先取得bucketIndex位置的Entry头结点，并创建新节点，把该新节点插入到链表中的头部，该新节点的next指针指向原来的头结点

   这是一个非常优雅的设计。系统总是将新的Entry对象添加到bucketIndex处。如果bucketIndex处已经有了对象，那么新添加的Entry对象将指向原有的Entry对象，形成一条Entry链，

  但是若bucketIndex处没有Entry对象，也就是e==null,那么新添加的Entry对象指向null，也就不会产生Entry链了。 

第二，对null的处理，看一下下面的代码：

private V putForNullKey(V value) {

    //查找链表中是否有null键

    for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {

        if (e.key == null) {

            V oldValue = e.value;

            e.value = value;

            e.recordAccess(this);

            return oldValue;

        }

    }

    modCount++;

    //如果链中查找不到，则把该null键插入

    addEntry(0, null, value, 0);

    return null;

}

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)
  */
 public V get(Object key) {
  if (key == null)
   return getForNullKey();
  int hash = 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)))
    return e.value;
  }
  return null;
 }

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：

  1. 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。

  2. key的hashcode()方法被调用，然后计算hash值。

  3. 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。

  4. 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。
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