HashMap原理机制自问自答

关于hashmap在平时写代码的时候经常用，但是hashmap的一些原理貌似知道的不是很多，翻了下代码，得出如下结论。

 

（1）HashMap是啥？

HashMap是基于哈希表的Map实现，能够满足所有的Map操作，同时支持空的key和空的value，非线程安全的，

不保证map中键值的顺序，特别是不保证顺序是不变的（翻译自java 源代码）。

 

（2）如果Map<K,V> map = new HashMap<K,V>()这种情况，容器默认参数是啥？

源代码查看，有三个常量，

 static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;

 static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

 static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

三个常量中可以看出，默认的容器大小是16，最大长度是2的30次方，load factor默认是0.75，扩充的临界值是16*0.75=12

 

（3）如果已经知道Map的大小，如何提升性能？

 

HashMap的实例有两个参数影响着他的性能，

一个是initial capacity

（初始化容量，容量是哈希表中的空间数，初始化容量是HashMap创建的时候的大小，当然，后面是会自动扩容的）；

一个是load factor

（负荷系数，当目前的容量达到负荷系数的时候，重新build，扩充到原来的两倍）。

通用的规则，laod factor默认是0.75，在空间和时间上面一个不错的权衡。

如果确定有很多mapping的数据放在HashMap的实例里面，初始化的时候创建一个大一点的容量比hashmap自己去扩容要有效的多。

因为在数组扩充的时候，会重新new一个数组出来，然后老数组数据重新赋值到新数组，转换成本消耗资源。

 

（4）如果自定义initial capacity的大小，如果保证Map大小是2的指数次方？

这个看HashMap的构造行数，

如下，通过while循环，初始值1的移位来使大小始终是2的指数次，初始化的数组大小是小于入参的最大的2的指数次。

public  HashMap( int  initialCapacity,  float  loadFactor) {
       if  (initialCapacity <  0 ){ //如果初始化容量小于零，直接抛出异常
           throw  new  IllegalArgumentException( "Illegal initial capacity: "  + initialCapacity);
       }
       if  (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY){ //如果超过最大容量，直接等于最大容量
           initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
       }
       if  (loadFactor <=  0  || Float.isNaN(loadFactor)){ //如果laodFactor小于等于零或者不是number，抛异常
           throw  new  IllegalArgumentException( "Illegal load factor: "  + loadFactor);
       }
       /**
        * 这里设计比较巧妙了，保证HashMap的大小始终是2的指数次
        * 经过这个while处理后，初始化的数组是大于这个值的最小的2的指数
        * 例子：如果initialCapacity=13,则2进制数值有2、4、8、16，大约13的是16，则此时初始化的数组大小是16
        */
       int  capacity =  1 ;
       while  (capacity < initialCapacity){
            capacity <<=  1 ;
       }
       this .loadFactor = loadFactor;
       threshold = ( int )(capacity * loadFactor);
       table =  new  Entry[capacity];
       init();
   }

 

（5）为什么HashMap的大小要是2的指数次呢？

key经过hash后，可以取模来进行放入数组，也不会出现越界的情况，

之所以没有使用取模，而是按位与的形式，是因为计算机的二进制运算效率比取模效率高。

如果Map的大小不是2的进制，我们设置为7

7的二进制是：111，（length-1）大小是6，按位与是和6进行，6的二进制是：110

结果如下，有些数组中的位置没有被设置，有些重复了，一是导致空间浪费，同时增加了碰撞的几率。

for ( int  i= 0 ;i< 10 ;i++){
    System.out.println
    ( "数值i=" +i+ ", 二进制=" +Integer.toBinaryString(i)+ "（" +Integer.toBinaryString( 6 )+ "）" + " ,和6按位与=" +(i& 6 ));
}

数值i= 0 , 二进制= 0 （ 110 ） ,和 6 按位与= 0
数值i= 1 , 二进制= 1 （ 110 ） ,和 6 按位与= 0
数值i= 2 , 二进制= 10 （ 110 ） ,和 6 按位与= 2
数值i= 3 , 二进制= 11 （ 110 ） ,和 6 按位与= 2
数值i= 4 , 二进制= 100 （ 110 ） ,和 6 按位与= 4
数值i= 5 , 二进制= 101 （ 110 ） ,和 6 按位与= 4
数值i= 6 , 二进制= 110 （ 110 ） ,和 6 按位与= 6
数值i= 7 , 二进制= 111 （ 110 ） ,和 6 按位与= 6
数值i= 8 , 二进制= 1000 （ 110 ） ,和 6 按位与= 0
数值i= 9 , 二进制= 1001 （ 110 ） ,和 6 按位与= 0

然后我们设置8，（length-1）大小是7,7的二进制是111，打印看结果，空间充分利用，并且减少了碰撞的几率。

for ( int  i= 0 ;i< 10 ;i++){
      System.out.println(
        ​ "数值i=" +i+ ", 二进制=" +Integer.toBinaryString(i)+ "（" +Integer.toBinaryString( 7 )+ "）" + " ,和7按位与=" +(i& 7 ));
}
​
数值i= 0 , 二进制= 0 （ 111 ） ,和 7 按位与= 0
数值i= 1 , 二进制= 1 （ 111 ） ,和 7 按位与= 1
数值i= 2 , 二进制= 10 （ 111 ） ,和 7 按位与= 2
数值i= 3 , 二进制= 11 （ 111 ） ,和 7 按位与= 3
数值i= 4 , 二进制= 100 （ 111 ） ,和 7 按位与= 4
数值i= 5 , 二进制= 101 （ 111 ） ,和 7 按位与= 5
数值i= 6 , 二进制= 110 （ 111 ） ,和 7 按位与= 6
数值i= 7 , 二进制= 111 （ 111 ） ,和 7 按位与= 7
数值i= 8 , 二进制= 1000 （ 111 ） ,和 7 按位与= 0
数值i= 9 , 二进制= 1001 （ 111 ） ,和 7 按位与= 1

 

（6）HashMap的整体结构啥样？

整体情况见下图，包括继承实现关系以及属性等。

1、HashMap中包含了一个Entry的数组，是存放数据的地方，每一个数组元素是一个Entry对象，Entry中有属性next，

如果两个key经过hash后，在数组中index相同，则会保存在同一个位置，通过next属性来形成链表结构。

2、size是数组的大小，threshold是数组扩充的阀值，modCount是table被修改的次数，这个在迭代器中有用，

loadFactor是数组扩充阀值系数，threshold=loadFactor*table.length。

 

（7）HashMap的添加属性以及扩容是如何进行的？

废话少说，直接上代码。

1、添加属性的时候，如果两个key的index位置相同，则会通过链表保存在同一个数据元素中，而后添加的在链表的前面

void  addEntry( int  hash, K key, V value,  int  bucketIndex) {
       /**
        * 首先把index中的值赋予一个对象e，
        * 从这里能够看出，如果两个key的hash值相同，那么在数组中的位置index会相同，
        * 那此时这两个key就需要组成链条来同时保存在这一个位置中，
        * 后一个添加的Entry总是在链条的第一个
        */
       Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
       table[bucketIndex] =  new  Entry<K,V>(hash, key, value, e);
       //如果目前数组的长度大于阀值，则进行resize，扩充为原来的2倍
       if  (size++ >= threshold){
               resize( 2  * table.length);
       }
   }

2、在添加属性的时候，每次都会判断一下是否需要扩容，若果达到了阀值，则进行扩容，

扩容的时候会重新new一个table出来，然后新老数据数据进行转换，

调用transfer方法，transfer方法通过循环遍历的形式记性数据的“交接”，

注意一点，while里面的代码会造车在多线程并发下put出现死循环情况，如果涉及到多线程put情况，不要使用HashMap。

void  resize( int  newCapacity) { //table的数组容量大于了阀值threshold,则进行扩充，变为原来的2倍；
       Entry[] oldTable = table;
       int  oldCapacity = oldTable.length;
       if  (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) { //如果已经达到了最大值，则threshold为Integer最大值，数组不进行扩充
           threshold = Integer.MAX_VALUE;
           return ;
       }

       Entry[] newTable =  new  Entry[newCapacity];
       //新老数组数据转换，将老数组中的数据赋予新的table
       transfer(newTable);
       //将新的table赋值给引用，每次扩充，需要重新new一个数组，抛弃原先的数组
       table = newTable;
       threshold = ( int )(newCapacity * loadFactor);
   }

   void  transfer(Entry[] newTable) {
       Entry[] src = table;
       int  newCapacity = newTable.length;
       //循环遍历数组中的每个Entry
       for  ( int  j =  0 ; j < src.length; j++) {
           Entry<K,V> e = src[j];
           if  (e !=  null ) {
               src[j] =  null ;
               /**
                * while循环遍历一个数组元素的链表，把原来链表的顺序反置了
                * 多线程并发put下，在进行扩充的时候，会造成死循环；
                * Entry1-->Entry2-->null   正常情况下，顺序反置回事Entry2-->Entry1-->null
                * 多线程下会出现：Entry1-->Entry2，Entry2-->Entry1的情况，在while处造成死循环
                */
               do  {
                   Entry<K,V> next = e.next;
                   //从这里看出，元素在数组中的位置重新进行了计算
                   int  i = indexFor(e.hash, newCapacity);
                   e.next = newTable[i];
                   newTable[i] = e;
                   e = next;
               }  while  (e !=  null );
           }
       }
   }

 

（8）hash碰撞问题HashMap如何解决的？

传入的数据，会出现key经过hash后，hash值相同，这就是hash碰撞问题，

HashMap如何解决这种碰撞问题的呢，看代码可以得出结论。

每个数组元素是一个Entry对象，对象中有个next的应用，指向下一个，对于hash值相同，则在Entry中以链表的形式进行存储。

见put函数代码：

public  V put(K key, V value) {
      //如果key是null，则调用单独的方法
     if  (key ==  null ){
          return  putForNullKey(value);
      }
      //获取key的hash值，通过key值的hashCode值来进行高位转换
     int  hash = hash(key.hashCode());
      //通过hash值和数组长度进行按位与，获取这个key值在数据中的位置
     int  i = indexFor(hash, table.length);
       /**
        * 获取数组中index为i的Entry，如果entry不为空，则进行判断是否相同，如果相同则新老value进行替换；
        * 这里有个for循环，因为一个数据元素中可能保存了一个Entry的链表
        */
     for  (Entry<K,V> e = table[i]; e !=  null ; e = e.next) {
         Object k;
         //hash值相同，并且==或者equals，则表明两个对象相同
         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index为i的数组中是null，则调用addEntry来添加新的Entry
     modCount++;
      //传入这个entry的hash值，KV，以及在数组中的位置
     addEntry(hash, key, value, i);
     return  null ;
 }