Java 集合框架 HashSet 和 HashMap 源码剖析

总体介绍

之所以把HashSet和HashMap放在一起讲解,是因为二者在Java里有着相同的实现,前者仅仅是对后者做了一层包装,也就是说HashSet里面有一个HashMap(适配器模式)。因此本文将重点分析HashMap。

HashMap实现了Map接口,允许放入null元素,除该类未实现同步外,其余跟Hashtable大致相同,跟TreeMap不同,该容器不保证元素顺序,根据需要该容器可能会对元素重新哈希,元素的顺序也会被重新打散,因此不同时间迭代同一个HashMap的顺序可能会不同。

根据对冲突的处理方式不同,哈希表有两种实现方式,一种开放地址方式(Open addressing),另一种是冲突链表方式(Separate chaining with linked lists)。Java HashMap采用的是冲突链表方式

从上图容易看出,如果选择合适的哈希函数,put()get()方法可以在常数时间内完成。但在对HashMap进行迭代时,需要遍历整个table以及后面跟的冲突链表。因此对于迭代比较频繁的场景,不宜将HashMap的初始大小设的过大。

有两个参数可以影响HashMap的性能:初始容量(inital capacity)和负载系数(load factor)。初始容量指定了初始table的大小,负载系数用来指定自动扩容的临界值。当entry的数量超过capacity*load_factor时,容器将自动扩容并重新哈希。对于插入元素较多的场景,将初始容量设大可以减少重新哈希的次数。

将对向放入到HashMap或HashSet中时,有两个方法需要特别关心:hashCode()equals()hashCode()方法决定了对象会被放到哪个bucket里,当多个对象的哈希值冲突时,equals()方法决定了这些对象是否是“同一个对象”。所以,如果要将自定义的对象放入到HashMapHashSet中,需要@Override hashCode()equals()方法。

方法剖析

get()

get(Object key)方法根据指定的key值返回对应的value,该方法调用了getEntry(Object key)得到相应的entry,然后返回entry.getValue()。因此getEntry()是算法的核心。

算法思想是首先通过hash()函数得到对应bucket的下标,然后依次遍历冲突链表,通过key.equals(k)方法来判断是否是要找的那个entry

上图中hash(k)&(table.length-1)等价于hash(k)%table.length,原因是HashMap要求table.length必须是2的指数,因此table.length-1就是二进制低位全是1,跟hash(k)相与会将哈希值的高位全抹掉,剩下的就是余数了。

//getEntry()方法
final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
    ......
    int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
    for (Entry<K,V> e = table[hash&(table.length-1)];//得到冲突链表
         e != null; e = e.next) {//依次遍历冲突链表中的每个entry
        Object k;
        //依据equals()方法判断是否相等
        if (e.hash == hash &&
            ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            return e;
    }
    return null;
}

put()

put(K key, V value)方法是将指定的key, value对添加到map里。该方法首先会对map做一次查找,看是否包含该元组,如果已经包含则直接返回,查找过程类似于getEntry()方法;如果没有找到,则会通过addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex)方法插入新的entry,插入方式为头插法

//addEntry()
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
        resize(2 * table.length);//自动扩容,并重新哈希
        hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
        bucketIndex = hash & (table.length-1);//hash%table.length
    }
    //在冲突链表头部插入新的entry
    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
    table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
    size++;
}

remove()

remove(Object key)的作用是删除key值对应的entry,该方法的具体逻辑是在removeEntryForKey(Object key)里实现的。removeEntryForKey()方法会首先找到key值对应的entry,然后删除该entry(修改链表的相应指针)。查找过程跟getEntry()过程类似。

//removeEntryForKey()
final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {
    ......
    int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
    int i = indexFor(hash, table.length);//hash&(table.length-1)
    Entry<K,V> prev = table[i];//得到冲突链表
    Entry<K,V> e = prev;
    while (e != null) {//遍历冲突链表
        Entry<K,V> next = e.next;
        Object k;
        if (e.hash == hash &&
            ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {//找到要删除的entry
            modCount++; size--;
            if (prev == e) table[i] = next;//删除的是冲突链表的第一个entry
            else prev.next = next;
            return e;
        }
        prev = e; e = next;
    }
    return e;
}

HashSet

前面已经说过HashSet是对HashMap的简单包装,对HashSet的函数调用都会转换成合适的HashMap方法,因此HashSet的实现非常简单,只有不到300行代码。这里不再赘述。

//HashSet是对HashMap的简单包装
public class HashSet<E>
{
    ......
    private transient HashMap<E,Object> map;//HashSet里面有一个HashMap
    // Dummy value to associate with an Object in the backing Map
    private static final Object PRESENT = new Object();
    public HashSet() {
        map = new HashMap<>();
    }
    ......
    public boolean add(E e) {//简单的方法转换
        return map.put(e, PRESENT)==null;
    }
    ......
}

原文发布于微信公众号 - 大数据钻研(bigdata118)

原文发表时间:2016-05-31

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