Java HashMap的工作原理

Wesley13
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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

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packageorg.arpit.javapostsforlearning;

publicclassCountry {

 String name;

 longpopulation;

 publicCountry(String name,longpopulation) {

  super();

  this.name = name;

  this.population = population;

 }

 publicString getName() {

  returnname;

 }

 publicvoidsetName(String name) {

  this.name = name;

 }

 publiclonggetPopulation() {

  returnpopulation;

 }

 publicvoidsetPopulation(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

 publicinthashCode() {

  if(this.name.length()%2==0)

   return31;

  else

   return95;

 }

 @Override

 publicbooleanequals(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)

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importjava.util.HashMap;

importjava.util.Iterator;

publicclassHashMapStructure {

    /**

     * @author Arpit Mandliya

     */

    publicstaticvoidmain(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 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:

Java HashMap的工作原理

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:

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staticclassEntryimplementsMap.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。

Java HashMap的工作原理

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:

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/**

  * 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 key, or null

  *         if there was no mapping for key. (A null return

  *         can also indicate that the map previously associated

  *         null with key.)

  */

 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。

  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。

  • 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:

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/**

  * Returns the value to which the specified key is mapped, or { @code null}

  * if this map contains no mapping for the key.

  *

  *

  * 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.)

  *

  *

  * A return value of { @code null} does not necessarily 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:

  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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