HashMap 的实现原理

JAVA herman 894浏览 0评论
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众所周知,HashMap是用来存储Key-Value键值对的一种集合,这个键值对也叫做Entry,而每个Entry都是存储在数组当中,因此这个数组就是HashMap的主干。
HashMap数组中的每一个元素的初始值都是NULL 

Put方法的实现原理

HaspMap的一种重要的方法是put()方法,当我们调用put()方法时,比如hashMap.put("Java",0),此时要插入一个Key值为“Java”的元素,这时首先需要一个Hash函数来确定这个Entry的插入位置,设为index,即 index = hash("Java"),假设求出的index值为2,那么这个Entry就会插入到数组索引为2的位置。但是HaspMap的长度肯定是有限的,当插入的Entry越来越多时,不同的Key值通过哈希函数算出来的index值肯定会有冲突,此时就可以利用链表来解决。
其实HaspMap数组的每一个元素不止是一个Entry对象,也是一个链表的头节点,每一个Entry对象通过Next指针指向下一个Entry对象,这样,当新的Entry的hash值与之前的存在冲突时,只需要插入到对应点链表即可。
需要注意的是,新来的Entry节点采用的是“头插法”,而不是直接插入在链表的尾部,这是因为HashMap的发明者认为,新插入的节点被查找的可能性更大。

Get方法的实现原理

get()方法用来根据Key值来查找对应点Value,当调用get()方法时,比如hashMap.get("apple"),这时同样要对Key值做一次Hash映射,算出其对应的index值,即index = hash("apple")。
前面说到的可能存在Hash冲突,同一个位置可能存在多个Entry,这时就要从对应链表的头节点开始,一个个向下查找,直到找到对应的 Key值,这样就获得到了所要查找的键值对。
例如假设我们要找的Key值是"apple": 

第一步,算出Key值“apple”的hash值,假设为2。 第二步,在数组中查找索引为2的位置,此时找到头节点为Entry6,Entry6的Key值是banana,不是我们要找的值。 第三步,查找Entry6的Next节点,这里为Entry1,它的Key值为apple,是我们要查找的值,这样就找到了对应的键值对,结束。

HashMap的深入思考

上面所说的就是HashMap的基本原理,可以总结出HashMap的3个要素为:hash函数、数组、链表,如下图:接下来对于HaspMap还有很多深入的问题,比如: 1.HashMap默认的初始长度是多少?为什么这么规定? 2.高并发情况下,HashMap会出现死锁吗? 3.Java8中,HashMap有怎样的优化? 下面开始说明这几个问题:

HashMap的长度

1.HaspMap的默认初始长度是16,并且每次扩展长度或者手动初始化时,长度必须是2的次幂。之所以是16,是为了服务于从Key值映射到index的hash算法。前面说到了,从Key值映射到数组中所对应的位置需要用到一个hash函数:index = hash("Java");

那么为了实现一个尽量分布均匀的hash函数,利用的是Key值的HashCode来做某种运算。因此问题来了,如何进行计算,才能让这个hash函数尽量分布均匀呢?

一种简单的方法是将Key值的HashCode值与HashMap的长度进行取模运算,即 index = HashCode(Key) % hashMap.length,但是,但是!这种取模方式运算固然简单,然而它的效率是很低的, 而且,如果使用了取模%, 那么HashMap在容量变为2倍时, 需要再次rehash确定每个链表元素的位置,浪费了性能。 因此为了实现高效的hash函数算法,HashMap的发明者采用了位运算的方式。那么如何进行位运算呢?可以按照下面的公式:

index = HashCode(Key) & (hashMap.length - 1);

接下来我们以Key值为“apple”的例子来演示这个过程:

1) 计算“apple”的hashcode,结果为十进制的3029737,二进制的101110001110101110 1001。

2) HashMap默认初始长度是16,计算hashMap.Length-1的结果为十进制的15,二进制的1111。

3) 把以上两个结果做 与运算,101110001110101110 1001 & 1111 = 1001,十进制是9,所以 index=9。

可以看出来,hash算法得到的index值完全取决与Key的HashCode的最后几位。这样做不但效果上等同于取模运算,而且大大提高了效率。

那么回到最初的问题,初始长度为什么是16或者2的次幂?如果不是会怎么样?

我们假设HaspMap的初始长度为10,重复前面的运算步骤:

单独看这个结果,表面上并没有问题。我们再来尝试一个新的HashCode 101110001110101110 1011 :

然后我们再换一个HashCode 101110001110101110 1111 试试 :这样我们可以看到,虽然HashCode的倒数第二第三位从0变成了1,但是运算的结果都是1001。也就是说,当HashMap长度为10的时候,有些index结果的出现几率会更大,而有些index结果永远不会出现(比如0111)!

所以这样显然不符合Hash算法均匀分布的原则。

而长度是16或者其他2的次幂,Length – 1的值的所有二进制位全为1(如15的二进制是1111,31的二进制为11111),这种情况下,index的结果就等同于HashCode后几位的值。只要输入的HashCode本身分布均匀,Hash算法的结果就是均匀的。这也是HashMap设计的玄妙之处。

HashMap的死锁

我们知道HashMap是非线程安全的,那么原因是什么呢?

由于HashMap的容量是有限的,如果HashMap中的数组的容量很小,假如只有2个,那么如果要放进10个keys的话,碰撞就会非常频繁,此时一个O(1)的查找算法,就变成了链表遍历,性能变成了O(n),这是Hash表的缺陷。

为了解决这个问题,HashMap设计了一个阈值,其值为容量的0.75,当HashMap所用容量超过了阈值后,就会自动扩充其容量。

在多线程的情况下,当重新调整HashMap大小的时候,就会存在条件竞争,因为如果两个线程都发现HashMap需要重新调整大小了,它们会同时试着调整大小。在调整大小的过程中,存储在链表中的元素的次序会反过来,因为移动到新的bucket位置的时候,HashMap并不会将元素放在链表的尾部,而是放在头部,这是为了避免尾部遍历。如果条件竞争发生了,那么就会产生死循环了。

具体发生死锁的过程可以参考这篇文章:Java HashMap 的死循环(HashMap Infinite Loop)

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