(40) 剖析HashMap / 计算机程序的思维逻辑

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前面两节介绍了ArrayListLinkedList,它们的一个共同特点是,查找元素的效率都比较低,都需要逐个进行比较,本节介绍HashMap,它的查找效率则要高的多,HashMap是什么?怎么用?是如何实现的?本节详细介绍。

字面上看,HashMap由两个单词组成,Hash和Map,这里Map不是地图的意思,而是表示映射关系,是一个接口,实现Map接口有多种方式,HashMap实现的方式利用了Hash。

下面,我们先来看Map接口,接着看如何使用HashMap,然后看实现原理,最后我们总结分析HashMap的特点。

Map接口

基本概念

Map有键和值的概念,一个键映射到一个值,Map按照键存储和访问值,键不能重复,即一个键只会存储一份,给同一个键重复设值会覆盖原来的值。使用Map可以方便地处理需要根据键访问对象的场景,比如:

  • 一个词典应用,键可以为单词,值可以为单词信息类,包括含义、发音、例句等。
  • 统计和记录一本书中所有单词出现的次数,可以以单词为键,出现次数为值。
  • 管理配置文件中的配置项,配置项是典型的键值对。
  • 根据身份证号查询人员信息,身份证号为键,人员信息为值。

数组、ArrayList、LinkedList可以视为一种特殊的Map,键为索引,值为对象。

接口定义

Map接口的定义为:

public interface Map<K,V> {
    V put(K key, V value);
    V get(Object key);
    V remove(Object key);
    int size();
    boolean isEmpty();
    boolean containsKey(Object key);
    boolean containsValue(Object value);
    void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m);
    void clear();
    Set<K> keySet();
    Collection<V> values();
    Set<Map.Entry<K, V>> entrySet();
    interface Entry<K,V> {
        K getKey();
        V getValue();
        V setValue(V value);
        boolean equals(Object o);
        int hashCode();
    }
    boolean equals(Object o);
    int hashCode();
}

Map接口有两个类型参数,K和V,分别表示键(Key)和值(Value)的类型,我们解释一下其中的方法。

保存键值对

V put(K key, V value);

按键key保存值value,如果Map中原来已经存在key,则覆盖对应的值,返回值为原来的值,如果原来不存在key,返回null。key相同的依据是,要么都为null,要么equals方法返回true。

根据键获取值

V get(Object key);

如果没找到,返回null。

根据键删除键值对

V remove(Object key);

返回key原来对应的值,如果Map中不存在key,返回null。

查看Map的大小

int size(); boolean isEmpty();

查看是否包含某个键

boolean containsKey(Object key);

查看是否包含某个值

boolean containsValue(Object value);

批量保存

void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m);

保存参数m中的所有键值对到当前Map。

清空Map中所有键值对

void clear();

获取Map中键的集合

Set<K> keySet();

Set是一个接口,表示的是数学中的集合概念,即没有重复的元素集合,它的定义为:

public interface Set<E> extends Collection<E> { }

它扩展了Collection,但没有定义任何新的方法,不过,它要求所有实现者都必须确保Set的语义约束,即不能有重复元素。关于Set,下节我们再详细介绍。

Map中的键是没有重复的,所以ketSet()返回了一个Set。

获取Map中所有值的集合

Collection<V> values();

获取Map中的所有键值对

Set<Map.Entry<K, V>> entrySet();

Map.Entry<K,V>是一个嵌套接口,定义在Map接口内部,表示一条键值对,主要方法有:

K getey(); V getValue();

keySet()/values()/entrySet()有一个共同的特点,它们返回的都是视图,不是拷贝的值,基于返回值的修改会直接修改Map自身,比如说:

map.keySet().clear();

会删除所有键值对。

HashMap

使用例子

HashMap实现了Map接口,我们通过一个简单的例子,来看如何使用。

随机一节,我们介绍过如何产生随机数,现在,我们写一个程序,来看随机产生的数是否均匀,比如,随机产生1000个0到3的数,统计每个数的次数。代码可以这么写:

Random rnd = new Random();
Map<Integer, Integer> countMap = new HashMap<>();

for(int i=0; i<1000; i++){
    int num = rnd.nextInt(4);
    Integer count = countMap.get(num);
    if(count==null){
        countMap.put(num, 1);
    }else{
        countMap.put(num, count+1);
    }
}

for(Map.Entry<Integer, Integer> kv : countMap.entrySet()){
    System.out.println(kv.getKey()+","+kv.getValue());
}

一次运行的输出为:

0,269 1,236 2,261 3,234

代码比较简单,就不解释了。

构造方法

除了默认构造方法,HashMap还有如下构造方法:

public HashMap(int initialCapacity)
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m)

最后一个以一个已有的Map构造,拷贝其中的所有键值对到当前Map,这容易理解。前两个涉及两个两个参数initialCapacity和loadFactor,它们是什么意思呢?我们需要看下HashMap的实现原理。

实现原理

内部组成

HashMap内部有如下几个主要的实例变量:

transient Entry<K,V>[] table = (Entry<K,V>[]) EMPTY_TABLE;

transient int size;
int threshold;
final float loadFactor;

size表示实际键值对的个数。

table是一个Entry类型的数组,其中的每个元素指向一个单向链表,链表中的每个节点表示一个键值对,Entry是一个内部类,它的实例变量和构造方法代码如下:

static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final K key;
    V value;
    Entry<K,V> next;
    int hash;

    Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
        value = v;
        next = n;
        key = k;
        hash = h;
    }
} 

其中key和value分别表示键和值,next指向下一个Entry节点,hash是key的哈希值,待会我们会介绍其计算方法,直接存储hash值是为了在比较的时候加快计算,待会我们看代码。

table的初始值为EMPTY_TABLE,是一个空表,具体定义为:

static final Entry<?,?>[] EMPTY_TABLE = {};

当添加键值对后,table就不是空表了,它会随着键值对的添加进行扩展,扩展的策略类似于ArrayList,添加第一个元素时,默认分配的大小为16,不过,并不是size大于16时再进行扩展,下次什么时候扩展与threshold有关。

threshold表示阈值,当键值对个数size大于等于threshold时考虑进行扩展。threshold是怎么算出来的呢?一般而言,threshold等于table.length乘以loadFactor,比如,如果table.length为16,loadFactor为0.75,则threshold为12。

loadFactor是负载因子,表示整体上table被占用的程度,是一个浮点数,默认为0.75,可以通过构造方法进行修改。

下面,我们通过一些主要方法的代码来看下,HashMap是如何利用这些内部数据实现Map接口的。先看默认构造方法。需要说明的是,为清晰和简单起见,我们可能会忽略一些非主要代码。

默认构造方法

代码为:

public HashMap() {
    this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}

DEFAULT_INITIAL_CAPACITY为16,DEFAULT_LOAD_FACTOR为0.75,默认构造方法调用的构造方法主要代码为:

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
    this.loadFactor = loadFactor;
    threshold = initialCapacity;
}

主要就是设置loadFactor和threshold的初始值。

保存键值对

下面,我们来看HashMap是如何把一个键值对保存起来的,代码为:

public V put(K key, V value) {
    if (table == EMPTY_TABLE) {
        inflateTable(threshold);
    }
    if (key == null)
        return putForNullKey(value);
    int hash = hash(key);
    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;
}  

如果是第一次保存,首先会调用inflateTable()方法给table分配实际的空间,inflateTable的主要代码为:

private void inflateTable(int toSize) {
    // Find a power of 2 >= toSize
    int capacity = roundUpToPowerOf2(toSize);

    threshold = (int) Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
    table = new Entry[capacity];
}

默认情况下,capacity的值为16,threshold会变为12,table会分配一个长度为16的Entry数组。

接下来,检查key是否为null,如果是,调用putForNullKey单独处理,我们暂时忽略这种情况。

在key不为null的情况下,下一步调用hash方法计算key的哈希值,hash方法的代码为:

final int hash(Object k) {
    int h = 0
    h ^= k.hashCode();
    h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
    return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}

基于key自身的hashCode方法的返回值,又进行了一些位运算,目的是为了随机和均匀性。

有了hash值之后,调用indexFor方法,计算应该将这个键值对放到table的哪个位置,代码为:

static int indexFor(int h, int length) {
    return h & (length-1);
}

HashMap中,length为2的幂次方,h&(length-1)等同于求模运算:h%length。

找到了保存位置i,table[i]指向一个单向链表,接下来,就是在这个链表中逐个查找是否已经有这个键了,遍历代码为:

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

而比较的时候,是先比较hash值,hash相同的时候,再使用equals方法进行比较,代码为:

if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))

为什么要先比较hash呢?因为hash是整数,比较的性能一般要比equals比较高很多,hash不同,就没有必要调用equals方法了,这样整体上可以提高比较性能。

如果能找到,直接修改Entry中的value即可。

modCount++的含义与ArrayListLinkedList中介绍一样,记录修改次数,方便在迭代中检测结构性变化。

如果没找到,则调用addEntry方法在给定的位置添加一条,代码为:

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
        resize(2 * table.length);
        hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
        bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
    }

    createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}

如果空间是够的,不需要resize,则调用createEntry添加,createEntry的代码为:

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++;
}

代码比较直接,新建一个Entry对象,并插入单向链表的头部,并增加size。

如果空间不够,即size已经要超过阈值threshold了,并且对应的table位置已经插入过对象了,具体检查代码为:

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

则调用resize方法对table进行扩展,扩展策略是乘2,resize的主要代码为:

void resize(int newCapacity) {
    Entry[] oldTable = table;
    int oldCapacity = oldTable.length;
    Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
    transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));
    table = newTable;
    threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
}

分配一个容量为原来两倍的Entry数组,调用transfer方法将原来的键值对移植过来,然后更新内部的table变量,以及threshold的值。transfer方法的代码为:

void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
    int newCapacity = newTable.length;
    for (Entry<K,V> e : table) {
        while(null != e) {
            Entry<K,V> next = e.next;
            if (rehash) {
                e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
            }
            int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
            e.next = newTable[i];
            newTable[i] = e;
            e = next;
        }
    }
}

参数rehash一般为false。这段代码遍历原来的每个键值对,计算新位置,并保存到新位置,具体代码比较直接,就不解释了。

以上,就是保存键值对的主要代码,简单总结一下,基本步骤为:

  1. 计算键的哈希值
  2. 根据哈希值得到保存位置(取模)
  3. 插到对应位置的链表头部或更新已有值
  4. 根据需要扩展table大小

以上描述可能比较抽象,我们通过一个例子,用图示的方式,再来看下,代码是:

Map<String,Integer> countMap = new HashMap<>();
countMap.put("hello", 1);
countMap.put("world", 3);
countMap.put("position", 4);

在通过new HashMap()创建一个对象后,内存中的图示结构大概是:

接下来执行

countMap.put("hello", 1);

"hello"的hash值为96207088,模16的结果为0,所以插入table[0]指向的链表头部,内存结构会变为:

"world"的hash值为111207038,模16结果为15,所以保存完"world"后,内存结构会变为:

"position"的hash值为771782464,模16结果也为0,table[0]已经有节点了,新节点会插到链表头部,内存结构会变为:

理解了键值对在内存是如何存放的,就比较容易理解其他方法了,我们来看get方法。

根据键获取值

代码为:

public V get(Object key) {
    if (key == null)
        return getForNullKey();
    Entry<K,V> entry = getEntry(key);

    return null == entry ? null : entry.getValue();
}

HashMap支持key为null,key为null的时候,放在table[0],调用getForNullKey()获取值,如果key不为null,则调用getEntry()获取键值对节点entry,然后调用节点的getValue()方法获取值。getEntry方法的代码是:

final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
    if (size == 0) {
        return null;
    }

    int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
    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;
}

逻辑也比较简单:

1. 计算键的hash值,代码为:

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

2. 根据hash找到table中的对应链表,代码为:

table[indexFor(hash, table.length)];

3. 在链表中遍历查找,遍历代码:

for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)]; e != null; e = e.next)

4. 逐个比较,先通过hash快速比较,hash相同再通过equals比较,代码为:

if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))

查看是否包含某个键

containsKey的逻辑与get是类似的,节点不为null就表示存在,具体代码为:

public boolean containsKey(Object key) { return getEntry(key) != null; }

查看是否包含某个值

HashMap可以方便高效的按照键进行操作,但如果要根据值进行操作,则需要遍历,containsValue方法的代码为:

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;
}

如果要查找的值为null,则调用containsNullValue单独处理,我们看不为null的情况,遍历的逻辑也很简单,就是从table的第一个链表开始,从上到下,从左到右逐个节点进行访问,通过equals方法比较值,直到找到为止。

根据键删除键值对

代码为:

public V remove(Object key) {
    Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);
    return (e == null ? null : e.value);
}

removeEntryForKey的代码为:

final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {
    if (size == 0) {
        return null;
    }
    int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
    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;
}

基本逻辑为:

1. 计算hash,根据hash找到对应的table索引,代码为:

int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
int i = indexFor(hash, table.length);

2. 遍历table[i],查找待删节点,使用变量prev指向前一个节点,next指向下一个节点,e指向当前节点,遍历结构代码为:

Entry<K,V> prev = table[i];
Entry<K,V> e = prev;
while (e != null) {
    Entry<K,V> next = e.next;
    if(找到了){
       //删除
       return;
    }
    prev = e;
    e = next;
}

3. 判断是否找到,依然是先比较hash,hash相同时再用equals方法比较

4. 删除的逻辑就是让长度减小,然后让待删节点的前后节点连起来,如果待删节点是第一个节点,则让table[i]直接指向后一个节点,代码为:

size--;
if (prev == e)
    table[i] = next;
else
    prev.next = next;

e.recordRemoval(this);在HashMap中代码为空,主要是为了HashMap的子类扩展使用。

实现原理小结

以上就是HashMap的基本实现原理,内部有一个数组table,每个元素table[i]指向一个单向链表,根据键存取值,用键算出hash,取模得到数组中的索引位置buketIndex,然后操作table[buketIndex]指向的单向链表。

存取的时候依据键的hash值,只在对应的链表中操作,不会访问别的链表,在对应链表操作时也是先比较hash值,相同的话才用equals方法比较,这就要求,相同的对象其hashCode()返回值必须相同,如果键是自定义的类,就特别需要注意这一点。这也是hashCode和equals方法的一个关键约束,这个约束我们在介绍包装类的时候也提到过。

HashMap特点分析

HashMap实现了Map接口,内部使用数组链表和哈希的方式进行实现,这决定了它有如下特点:

  • 根据键保存和获取值的效率都很高,为O(1),每个单向链表往往只有一个或少数几个节点,根据hash值就可以直接快速定位。
  • HashMap中的键值对没有顺序,因为hash值是随机的。

如果经常需要根据键存取值,而且不要求顺序,那HashMap就是理想的选择。

小结

本节介绍了HashMap的用法和实现原理,它实现了Map接口,可以方便的按照键存取值,它的实现利用了哈希,可以根据键自身直接定位,存取效率很高。

根据哈希值存取对象、比较对象是计算机程序中一种重要的思维方式,它使得存取对象主要依赖于自身哈希值,而不是与其他对象进行比较,存取效率也就与集合大小无关,高达O(1),即使进行比较,也利用哈希值提高比较性能。

不过HashMap没有顺序,如果要保持添加的顺序,可以使用HashMap的一个子类LinkedHashMap,后续我们再介绍。Map还有一个重要的实现类TreeMap,它可以排序,我们也留待后续章节介绍。

本节提到了Set接口,下节,让我们探讨它的一种重要实现类HashSet。

原文发布于微信公众号 - 老马说编程(laoma_shuo)

原文发表时间:2016-09-27

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