Java笔记（七）HashMap和HashSet

HashMap和HashSet

一）HashMap

1.Map接口

interface Map<K,V> {
    int size();//查看Map中的键值对个数
    boolean isEmpty();//是否为空
    boolean containsKey(Object key);//是否包含某个键
    boolean containsValue(Object value);//是否包含某个值
    V get(Object key);//根据键获取值，没找到返回null
    V put(K key, V value);//保存键值对，如果原来有key，则覆盖并返回原来的值，原来没有这个键返回null
    V remove(Object key);//根据键删除键值对，返回key原来的值，如果不存在，返回null
    void putAll(Map<? extends K,? extends V> m);//保存m中所有的键值对到当前map
    void clear();//清空Map中的所有键值对
    Set<K> keySet();//获取Map中所有键的集合
    Collection<V> values();//获取Map中所有值的集合
    Set<Map.Entry<K, V>> entrySet();//获取Map中所有的键值对
    interface Entry<K,V> {  //嵌套接口表示一个键值对
        K getKey();//获取键
        V getValue();//获取值
        V setValue(V value);//设置值
        boolean equals(Object o);
        int hashCode();
    }
    boolean equals(Object o);
    int hashCode();
    
}

keySet()、values()、entrySet()有一个共同特点，它们返回的都是视图，

不是复制值，基于返回值的修改都会修改Map自身。例如：

map.keySet().clear();//会删除所有键值对

2.HashMap

构造方法：

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

主要实例变量：

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

//table是一个Entry类型的数组，称为哈希表或者哈希桶，
//其中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
transient Entry<K,V>[] table = (Entry<K,V>[]) EMPTY_TABLE;
transient int size; //实际键值对个数
int threshold;//表示阈值，当键值对个数size大等于该值时考虑扩展 threshold = table.length *  loadFactor
final float loadFactor;

Entry是一个内部类，构造方法：

    static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final K key;
        V value;
        Entry<K,V> next; //指向下一个节点
        int hash; //key的hash值
        Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
            value = v;
            next = n;
            key = k;
            hash = h; //存储hash值是为了在比较的时候加快速度
        }
    }

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.

默认构造方法：

public HashMap() {
    this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
//其中DEFAULT_INITIAL_CAPACITY=16，DEFAULT_LOAD_FACTOR=0.75

调用了：

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

put方法：

    public V put(K key, V value) {
        if(table == EMPTY_TABLE) {
            inflateTable(threshold);
        }
        if(key == null)
            return putForNullKey(value);
        int hash = hash(key); //计算key的hash值
        int i = indexFor(hash, table.length); //计算应该将这个键值对放入table中的哪个位置
        //注意table是一个单向链表，现在在这个链表中查找是否已经有这个键
        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;
    }

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

static int indexFor(int h, int length) {
    return h & (length-1);//等同于h%length
}

如果是第一个保存，先调用inflateTable方法给table分配空间：

    private void inflateTable(int toSize) {
        //Find a power of 2 >= toSize
        int capacity = roundUpToPowerOf2(toSize); //capacity的默认值为16
        threshold = (int) Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1); //默认为12
        table = new Entry[capacity];
    }

    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);
    }

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++;
}

总结保存键值对过程：

1）计算键的哈希值

2）根据哈希值得到保存位置

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

例子：

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

 

3.查找方法

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

final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
        if(size == 0) {
            return null;
        }
        //把key转换位hash值
        int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
        //再把hash值换算为索引位置，快速查找
        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;
    }

containsKey()方法逻辑与之类似：

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

HashMap可以方便高效地按键进行操作，但如果要按值进行操作，就要进行遍历：

    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;
    }

4.按键删除键值对

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

    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;
    }

5.实现原理总结

1）根据键获取和保存值的效率都很高，为O(1)，单向链表往往只有一个或

少数几个节点，根据hash值就可以快速直接定位;

2）HashMap中的键值对没有顺序，因为hash值是随机的。

注意，HashMap不是线程安全的，Java中还有一个类HashTable，它是Java最早实现的

容器类之一，实现了Map接口，实现原理与HashMap类似，但没有特别优化，它内部通过

synchronized实现了线程安全。另外，在HashMap中键和值都可以为null，而在HashTable

中不可以。在不需要并发安全的场景中推荐使用HashMap。高并发场景中，推荐使用ConcurrentHashMap。

根据哈希值存取对象、比较对象是计算机程序中的一种重要思维方式，它使得存取对象主要依赖于自身

的哈希值，而不是与其他对象进行比较，存取效率也与集合大小无关，高达O(1),即使是进行比较，也能

比较Hash值提高比较效率。

二）HashSet

1.概述

HashSet实现了Set接口。

Set接口表示的是没有重复元素，且不保证顺序的容器的接口，它扩展自Collection，

虽然没有定义任何新方法，不过对于其中的一些方法，它有自己的规范。

public interface Set<E> extends Collection<E> {
    int size();
    boolean isEmpty();
    boolean contains(Object o);
    //迭代遍历时不强制要求元素之间有特别的顺序
    //但某些Set实现可能有顺序，比如ThreeSet
    Iterator<E> iterator();
    Object[] toArray();
    <T> T[] toArray(T[] a);
    //添加元素时，如果集合中已经存在相同元素了，则不会改变集合，直接返回false
    //只有不存在时才会添加，返回true
    boolean add(E e);
    boolean remove(Object o);
    boolean containsAll(Collection<?> c);
    //重复的元素不添加，不重复的元素才添加，如果集合有变化，返回true
    boolean addAll(Collection<? extends E> c);
    boolean retainAll(Collection<?> c);
    boolean removeAll(Collection<?> c);
    void clear();
    boolean equals(Object o);
    int hashCode();
}

构造方法与HashMap类似：

public HashSet()
public HashSet(int initialCapacity)
public HashSet(int initialCapacity, float loadFactor)
public HashSet(Collection<? extends E> c)

与HashMap类似，HashSet要求元素重写hashCode与equals方法，且对于两个对象，

如果equals相同，则hashCode也必须相同。如果元素是自定义类特别要注意这一点。

public class Dog {

    private String name;
    private int number;
    public Dog(String name, int number) {
        this.name = name;
        this.number = number;
    }
    @Override
    public String toString() {
        return "Name: " + name + "  Number: " + number;
    }
}

        Dog a = new Dog("King", 110);
        Dog b = new Dog("King", 110);
        HashSet<Dog> dogs = new HashSet<>();
        dogs.add(a);
        dogs.add(b);
        System.out.println("The set is " + dogs);
        //The set is [Name: King  Number: 110, Name: King  Number: 110]

2.实现原理

HashSet内部是用HashMap实现的，其内部有一个HashMap实例变量：

private transient HashMap<E,Object> map;

Map有键和值，HashSet相当于只有键，值都是相同的固定值，这个值定义为：

private static final Object PRESENT = new Object();

构造方法：

    public HashSet() {
        map = new HashMap<>();
    }

public HashSet(int initialCapacity, float loadFactor) {
    map = new HashMap<>(initialCapacity, loadFactor);
}

public HashSet(Collection<? extends E> c) {
    map = new HashMap<>(Math.max((int) (c.size()/.75f) + 1, 16));
    addAll(c);
}

add方法：

public boolean add(E e) {
    return map.put(e, PRESENT)==null;
}

检查是否包含：

public boolean contains(Object o) {
    return map.containsKey(o);
}

删除：

public boolean remove(Object o) {
    return map.remove(o)==PRESENT;
}

迭代器：

public Iterator<E> iterator() {
    return map.keySet().iterator();
}

3.HashSet特点总结

1）没有重复元素

2）没有顺序

3）可以高效地添加，删除，判断元素是否存在