java面試之HashMap的實現原理和底層數據結構

2019-11-06 06:54:58

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供稿：網友

HashMap和Hashtable的區別

兩者最主要的區別在于Hashtable是線程安全，而HashMap則非線程安全Hashtable的實現方法里面都添加了synchronized關鍵字來確保線程同步，因此相對而言HashMap性能會高一些，我們平時使用時若無特殊需求建議使用HashMap，在多線程環境下若使用HashMap需要使用Collections.synchronizedMap()方法來獲取一個線程安全的集合（Collections.synchronizedMap()實現原理是Collections定義了一個SynchronizedMap的內部類，這個類實現了Map接口，在調用方法時使用synchronized來保證線程同步,當然了實際上操作的還是我們傳入的HashMap實例，簡單的說就是Collections.synchronizedMap()方法幫我們在操作HashMap時自動添加了synchronized來實現線程同步，類似的其它Collections.synchronizedXX方法也是類似原理）HashMap可以使用null作為key，而Hashtable則不允許null作為key雖說HashMap支持null值作為key，不過建議還是盡量避免這樣使用，因為一旦不小心使用了，若因此引發一些問題，排查起來很是費事HashMap以null作為key時，總是存儲在table數組的第一個節點上HashMap是對Map接口的實現，HashTable實現了Map接口和Dictionary抽象類HashMap的初始容量為16，Hashtable初始容量為11，兩者的填充因子默認都是0.75HashMap擴容時是當前容量翻倍即:capacity*2，Hashtable擴容時是容量翻倍+1即:capacity*2+1兩者計算hash的方法不同Hashtable計算hash是直接使用key的hashcode對table數組的長度直接進行取模

int hash = key.hashCode();int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;HashMap計算hash對key的hashcode進行了二次hash，以獲得更好的散列值，然后對table數組長度取摸
static int hash(int h) {        // This function ensures that hashCodes that differ only by        // constant multiples at each bit position have a bounded        // number of collisions (apPRoximately 8 at default load factor).        h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);        return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);    } static int indexFor(int h, int length) {        return h & (length-1);    } 
HashMap和Hashtable的底層實現都是數組+鏈表結構實現HashSet和HashMap、Hashtable的區別
除開HashMap和Hashtable外，還有一個hash集合HashSet，有所區別的是HashSet不是key value結構，僅僅是存儲不重復的元素，相當于簡化版的HashMap，只是包含HashMap中的key而已
通過查看源碼也證實了這一點，HashSet內部就是使用HashMap實現，只不過HashSet里面的HashMap所有的value都是同一個Object而已，因此HashSet也是非線程安全的，至于HashSet和Hashtable的區別，HashSet就是個簡化的HashMap的，所以你懂的下面是HashSet幾個主要方法的實現
  private transient HashMap<E,Object> map;  private static final Object PRESENT = new Object();    public HashSet() {    map = new HashMap<E,Object>();    } public boolean contains(Object o) {    return map.containsKey(o);    } public boolean add(E e) {    return map.put(e, PRESENT)==null;    } public boolean add(E e) {    return map.put(e, PRESENT)==null;    } public boolean remove(Object o) {    return map.remove(o)==PRESENT;    } public void clear() {    map.clear();    } 
HashMap和Hashtable的實現原理
HashMap和Hashtable的底層實現都是數組+鏈表結構實現的，這點上完全一致
添加、刪除、獲取元素時都是先計算hash，根據hash和table.length計算index也就是table數組的下標，然后進行相應操作，下面以HashMap為例說明下它的簡單實現
  /**     * HashMap的默認初始容量 必須為2的n次冪     */    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;    /**     * HashMap的最大容量，可以認為是int的最大值         */    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;    /**     * 默認的加載因子     */    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;    /**     * HashMap用來存儲數據的數組     */    transient Entry[] table;HashMap的創建HashMap默認初始化時會創建一個默認容量為16的Entry數組，默認加載因子為0.75，同時設置臨界值為16*0.75    /**     * Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the default initial capacity     * (16) and the default load factor (0.75).     */    public HashMap() {        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;        threshold = (int)(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);        table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];        init();    } 
put方法HashMap會對null值key進行特殊處理，總是放到table[0]位置put過程是先計算hash然后通過hash與table.length取摸計算index值，然后將key放到table[index]位置，當table[index]已存在其它元素時，會在table[index]位置形成一個鏈表，將新添加的元素放在table[index]，原來的元素通過Entry的next進行鏈接，這樣以鏈表形式解決hash沖突問題，當元素數量達到臨界值(capactiy*factor)時，則進行擴容，是table數組長度變為table.length*2 public V put(K key, V value) {        if (key == null)            return putForNullKey(value); //處理null值        int hash = hash(key.hashCode());//計算hash        int i = indexFor(hash, table.length);//計算在數組中的存儲位置    //遍歷table[i]位置的鏈表，查找相同的key，若找到則使用新的value替換掉原來的oldValue并返回oldValue        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;            }        }    //若沒有在table[i]位置找到相同的key，則添加key到table[i]位置，新的元素總是在table[i]位置的第一個元素，原來的元素后移        modCount++;        addEntry(hash, key, value, i);        return null;    }      void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {    //添加key到table[bucketIndex]位置，新的元素總是在table[bucketIndex]的第一個元素，原來的元素后移    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];        table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);    //判斷元素個數是否達到了臨界值，若已達到臨界值則擴容，table長度翻倍        if (size++ >= threshold)            resize(2 * table.length);    } 
get方法同樣當key為null時會進行特殊處理，在table[0]的鏈表上查找key為null的元素get的過程是先計算hash然后通過hash與table.length取摸計算index值，然后遍歷table[index]上的鏈表，直到找到key，然后返回public V get(Object key) {        if (key == null)            return getForNullKey();//處理null值        int hash = hash(key.hashCode());//計算hash    //在table[index]遍歷查找key，若找到則返回value，找不到返回null        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;    } 
remove方法remove方法和put get類似，計算hash，計算index，然后遍歷查找，將找到的元素從table[index]鏈表移除    public V remove(Object key) {        Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);        return (e == null ? null : e.value);    }    final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {        int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());        int i = indexFor(hash, table.length);        Entry<K,V> prev = table[i];        Entry<K,V> e = prev;        while (e != null) {            Entry<K,V> next = e.next;            Object k;            if (e.hash == hash &&                ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {                modCount++;                size--;                if (prev == e)                    table[i] = next;                else                    prev.next = next;                e.recordRemoval(this);                return e;            }            prev = e;            e = next;        }        return e;    } 
resize方法resize方法在hashmap中并沒有公開，這個方法實現了非常重要的hashmap擴容，具體過程為：先創建一個容量為table.length*2的新table，修改臨界值，然后把table里面元素計算hash值并使用hash與table.length*2重新計算index放入到新的table里面這里需要注意下是用每個元素的hash全部重新計算index，而不是簡單的把原table對應index位置元素簡單的移動到新table對應位置void resize(int newCapacity) {        Entry[] oldTable = table;        int oldCapacity = oldTable.length;        if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {            threshold = Integer.MAX_VALUE;            return;        }        Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];        transfer(newTable);        table = newTable;        threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);    }    void transfer(Entry[] newTable) {        Entry[] src = table;        int newCapacity = newTable.length;        for (int j = 0; j < src.length; j++) {            Entry<K,V> e = src[j];            if (e != null) {                src[j] = null;                        do {                    Entry<K,V> next = e.next;                    //重新對每個元素計算index int i = indexFor(e.hash, newCapacity);                    e.next = newTable[i];                    newTable[i] = e;                    e = next;                } while (e != null);            }        }    } 
clear()方法clear方法非常簡單，就是遍歷table然后把每個位置置為null，同時修改元素個數為0需要注意的是clear方法只會清楚里面的元素，并不會重置capactiy public void clear() {        modCount++;        Entry[] tab = table;        for (int i = 0; i < tab.length; i++)            tab[i] = null;        size = 0;    } 
containsKey和containsValuecontainsKey方法是先計算hash然后使用hash和table.length取摸得到index值，遍歷table[index]元素查找是否包含key相同的值public boolean containsKey(Object key) {        return getEntry(key) != null;    }final Entry<K,V> getEntry(Object key) {        int hash = (key == null) ? 0 : 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 != null && key.equals(k))))                return e;        }        return null;    }containsValue方法就比較粗暴了，就是直接遍歷所有元素直到找到value，由此可見HashMap的containsValue方法本質上和普通數組和list的contains方法沒什么區別，你別指望它會像containsKey那么高效
public boolean containsValue(Object value) {    if (value == null)            return containsNullValue();    Entry[] tab = table;        for (int i = 0; i < tab.length ; i++)            for (Entry e = tab[i] ; e != null ; e = e.next)                if (value.equals(e.value))                    return true;    return false;    } 
hash和indexForindexFor中的h & (length-1)就相當于h%length，用于計算index也就是在table數組中的下標hash方法是對hashcode進行二次散列，以獲得更好的散列值為了更好理解這里我們可以把這兩個方法簡化為 int index= key.hashCode()/table.length,以put中的方法為例可以這樣替換int hash = hash(key.hashCode());//計算hashint i = indexFor(hash, table.length);//計算在數組中的存儲位置//上面這兩行可以這樣簡化int i = key.key.hashCode()%table.length; 
  static int hash(int h) {        // This function ensures that hashCodes that differ only by        // constant multiples at each bit position have a bounded        // number of collisions (approximately 8 at default load factor).        h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);        return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);    }    static int indexFor(int h, int length) {        return h & (length-1);    } 
HashMap的簡化實現MyHashMap
為了加深理解，我個人實現了一個簡化版本的HashMap，注意哦，僅僅是簡化版的功能并不完善，僅供參考
package cn.lzrabbit.structure;/** * Created by rabbit on 14-5-4. */public class MyHashMap {    //默認初始化大小 16    private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;    //默認負載因子 0.75    private static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;    //臨界值    private int threshold;    //元素個數    private int size;    //擴容次數    private int resize;    private HashEntry[] table;    public MyHashMap() {        table = new HashEntry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];        threshold = (int) (DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);        size = 0;    }    private int index(Object key) {        //根據key的hashcode和table長度取模計算key在table中的位置        return key.hashCode() % table.length;    }    public void put(Object key, Object value) {        //key為null時需要特殊處理，為簡化實現忽略null值        if (key == null) return;        int index = index(key);        //遍歷index位置的entry，若找到重復key則更新對應entry的值，然后返回        HashEntry entry = table[index];        while (entry != null) {            if (entry.getKey().hashCode() == key.hashCode() && (entry.getKey() == key || entry.getKey().equals(key))) {                entry.setValue(value);                return;            }            entry = entry.getNext();        }        //若index位置沒有entry或者未找到重復的key，則將新key添加到table的index位置        add(index, key, value);    }    private void add(int index, Object key, Object value) {        //將新的entry放到table的index位置第一個，若原來有值則以鏈表形式存放        HashEntry entry = new HashEntry(key, value, table[index]);        table[index] = entry;        //判斷size是否達到臨界值，若已達到則進行擴容，將table的capacicy翻倍        if (size++ >= threshold) {            resize(table.length * 2);        }    }    private void resize(int capacity) {        if (capacity <= table.length) return;        HashEntry[] newTable = new HashEntry[capacity];        //遍歷原table，將每個entry都重新計算hash放入newTable中        for (int i = 0; i < table.length; i++) {            HashEntry old = table[i];            while (old != null) {                HashEntry next = old.getNext();                int index = index(old.getKey());                old.setNext(newTable[index]);                newTable[index] = old;                old = next;            }        }        //用newTable替table        table = newTable;        //修改臨界值        threshold = (int) (table.length * DEFAULT_LOAD_FACTOR);        resize++;    }    public Object get(Object key) {        //這里簡化處理，忽略null值        if (key == null) return null;        HashEntry entry = getEntry(key);        return entry == null ? null : entry.getValue();    }    public HashEntry getEntry(Object key) {        HashEntry entry = table[index(key)];        while (entry != null) {            if (entry.getKey().hashCode() == key.hashCode() && (entry.getKey() == key || entry.getKey().equals(key))) {                return entry;            }            entry = entry.getNext();        }        return null;    }    public void remove(Object key) {        if (key == null) return;        int index = index(key);        HashEntry pre = null;        HashEntry entry = table[index];        while (entry != null) {            if (entry.getKey().hashCode() == key.hashCode() && (entry.getKey() == key || entry.getKey().equals(key))) {                if (pre == null) table[index] = entry.getNext();                else pre.setNext(entry.getNext());                //如果成功找到并刪除，修改size                size--;                return;            }            pre = entry;            entry = entry.getNext();        }    }    public boolean containsKey(Object key) {        if (key == null) return false;        return getEntry(key) != null;    }    public int size() {        return this.size;    }    public void clear() {        for (int i = 0; i < table.length; i++) {            table[i] = null;        }        this.size = 0;    }    @Override    public String toString() {        StringBuilder sb = new StringBuilder();        sb.append(String.format("size:%s capacity:%s resize:%s/n/n", size, table.length, resize));        for (HashEntry entry : table) {            while (entry != null) {                sb.append(entry.getKey() + ":" + entry.getValue() + "/n");                entry = entry.getNext();            }        }        return sb.toString();    }}class HashEntry {    private final Object key;    private Object value;    private HashEntry next;    public HashEntry(Object key, Object value, HashEntry next) {        this.key = key;        this.value = value;        this.next = next;    }    public Object getKey() {        return key;    }    public Object getValue() {        return value;    }    public void setValue(Object value) {        this.value = value;    }    public HashEntry getNext() {        return next;    }    public void setNext(HashEntry next) {        this.next = next;    }}