HashMap深度解析(一)

本文来自：高爽|Coder，原文地址：http://blog.csdn.net/ghsau/article/details/16843543

       HashMap可以说是Java中最常用的集合类框架之一，是Java语言中非常典型的数据结构，我们总会在不经意间用到它，很大程度上方便了我们日常 开发。在很多Java的笔试题中也会被问到，最常见的，“HashMap和HashTable有什么区别？”，这也不是三言两语能说清楚的，这种笔试题就 是考察你来笔试之前有没有复习功课，随便来个快餐式的复习就能给出简单的答案。
       HashMap计划写两篇文章，一篇是HashMap工作原理，也就是本文，另一篇是多线程下的HashMap会引发的问题。这一年文章写的有点少，工 作上很忙，自己业余时间也做点东西，就把博客的时间占用了，以前是力保一周一篇文章，有点给自己任务的意思，搞的自己很累，文章质量也不高，有时候写技术 文章也是需要灵感的，为了举一个例子可能要绞尽脑汁，为了一段代码可能要验证好多次，现在想通了，有灵感再写，需要一定的积累，才能把自己了解的知识点总 结归纳成文章。
       言归正传，了解HashMap之前，我们需要知道Object类的两个方法hashCode和equals，我们先来看一下这两个方法的默认实现：

/** JNI，调用底层其它语言实现 */
public native int hashCode();

/** 默认同==，直接比较对象 */
public boolean equals(Object obj) {
    return (this == obj);
}

       equals方法我们太熟悉了，我们经常用于字符串比较，String类中重写了equals方法，比较的是字符串值，看一下源码实现：

public boolean equals(Object anObject) {
    if (this == anObject) {
        return true;
    }
    if (anObject instanceof String) {
        String anotherString = (String) anObject;
        int n = value.length;
        if (n == anotherString.value.length) {
            char v1[] = value;
            char v2[] = anotherString.value;
            int i = 0;
            // 逐个判断字符是否相等
            while (n-- != 0) {
                if (v1[i] != v2[i])
                        return false;
                i++;
            }
            return true;
        }
    }
    return false;
}

       重写equals要满足几个条件：

• 自反性：对于任何非空引用值 x，x.equals(x) 都应返回 true。 
• 对称性：对于任何非空引用值 x 和 y，当且仅当 y.equals(x) 返回 true 时，x.equals(y) 才应返回 true。 
• 传递性：对于任何非空引用值 x、y 和 z，如果 x.equals(y) 返回 true，并且 y.equals(z) 返回 true，那么 x.equals(z) 应返回 true。 
• 一致性：对于任何非空引用值 x 和 y，多次调用 x.equals(y) 始终返回 true 或始终返回 false，前提是对象上 equals 比较中所用的信息没有被修改。 
• 对于任何非空引用值 x，x.equals(null) 都应返回 false。 

       Object 类的 equals 方法实现对象上差别可能性最大的相等关系；即，对于任何非空引用值 x 和 y，当且仅当 x 和 y 引用同一个对象时，此方法才返回 true（x == y 具有值 true）。 当此方法被重写时，通常有必要重写 hashCode 方法，以维护 hashCode 方法的常规协定，该协定声明相等对象必须具有相等的哈希码。

       下面来说说hashCode方法，这个方法我们平时通常是用不到的，它是为哈希家族的集合类框架(HashMap、HashSet、HashTable)提供服务，hashCode 的常规协定是：

• 在 Java 应用程序执行期间，在同一对象上多次调用 hashCode 方法时，必须一致地返回相同的整数，前提是对象上 equals 比较中所用的信息没有被修改。从某一应用程序的一次执行到同一应用程序的另一次执行，该整数无需保持一致。 
• 如果根据 equals(Object) 方法，两个对象是相等的，那么在两个对象中的每个对象上调用 hashCode 方法都必须生成相同的整数结果。 
• 以 下情况不 是必需的：如果根据 equals(java.lang.Object) 方法，两个对象不相等，那么在两个对象中的任一对象上调用 hashCode 方法必定会生成不同的整数结果。但是，程序员应该知道，为不相等的对象生成不同整数结果可以提高哈希表的性能。

       当我们看到实现这两个方法有这么多要求时，立刻凌乱了，幸好有IDE来帮助我们，Eclipse中可以通过快捷键alt+shift+s调出快捷菜单， 选择Generate hashCode() and equals()，根据业务需求，勾选需要生成的属性，确定之后，这两个方法就生成好了，我们通常需要在JavaBean对象中重写这两个方法。

       好了，这两个方法介绍完之后，我们回到HashMap。HashMap是最常用的集合类框架之一，它实现了Map接口，所以存储的元素也是键值对映射的 结构，并允许使用null值和null键，其内元素是无序的，如果要保证有序，可以使用LinkedHashMap。HashMap是线程不安全的，下篇 文章会讨论。HashMap的类结构如下：

java.util
类 HashMap<K,V>

java.lang.Object
  

java.util.AbstractMap<K,V>
      

java.util.HashMap<K,V>

所有已实现的接口：

Serializable,Cloneable,Map<K,V>

直接已知子类：

LinkedHashMap,PrinterStateReasons

       HashMap中我们最长用的就是put(K, V)和get(K)。我们都知道，HashMap的K值是唯一的，那如何保证唯一性呢？我们首先想到的是用equals比较，没错，这样可以实现，但随着内部元素的增多，put和get的效率将越来越低，这里的时间复杂度是O(n)，假如有1000个元素，put时需要比较1000次。实际上，HashMap很少会用到equals方法，因为其内通过一个哈希表管理所有元素，哈希是通过hash单词音译过来的，也可以称为散列表，哈希算法可以快速的存取元素，当我们调用put存值时，HashMap首先会调用K的hashCode方法，获取哈希码，通过哈希码快速找到某个存放位置，这个位置可以被称之为bucketIndex，通过上面所述hashCode的协定可以知道，如果hashCode不同，equals一定为false，如果hashCode相同，equals不一定为true。所以理论上，hashCode可能存在冲突的情况，有个专业名词叫碰撞，当碰撞发生时，计算出的bucketIndex也是相同的，这时会取到bucketIndex位置已存储的元素，最终通过equals来比较，equals方法就是哈希码碰撞时才会执行的方法，所以前面说HashMap很少会用到equals。HashMap通过hashCode和equals最终判断出K是否已存在，如果已存在，则使用新V值替换旧V值，并返回旧V值，如果不存在 ，则存放新的键值对<K, V>到bucketIndex位置。文字描述有些乱，通过下面的流程图来梳理一下整个put过程。

       现在我们知道，执行put方法后，最终HashMap的存储结构会有这三种情况，情形3是最少发生的，哈希码发生碰撞属于小概率事件。到目前为止，我们了解了两件事：

• HashMap通过键的hashCode来快速的存取元素。
• 当不同的对象hashCode发生碰撞时，HashMap通过单链表来解决，将新元素加入链表表头，通过next指向原有的元素。单链表在Java中的实现就是对象的引用(复合)。

       来鉴赏一下HashMap中put方法源码：

public V put(K key, V value) {
    // 处理key为null，HashMap允许key和value为null
    if (key == null)
        return putForNullKey(value);
    // 得到key的哈希码
    int hash = hash(key);
    // 通过哈希码计算出bucketIndex
    int i = indexFor(hash, table.length);
    // 取出bucketIndex位置上的元素，并循环单链表，判断key是否已存在
    for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
        Object k;
        // 哈希码相同并且对象相同时
        if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
            // 新值替换旧值，并返回旧值
            V oldValue = e.value;
            e.value = value;
            e.recordAccess(this);
            return oldValue;
        }
    }

    // key不存在时，加入新元素
    modCount++;
    addEntry(hash, key, value, i);
    return null;
}

       到这里，我们了解了HashMap工作原理的一部分，那还有另一部分，如，加载因子及rehash，HashMap通常的使用规则，多线程并发时HashMap存在的问题等等，这些会留在下一章说明。