Java中HashMap的原理分析

HashMap在Java开发中有着非常重要的角色地位，每一个Java程序员都应该了解HashMap。详细地阐述HashMap中的几个概念，并深入探讨HashMap的内部结构和实现细节，讨论HashMap的性能问题。

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我们先来看这样的一道面试题：

在 HashMap 中存放的一系列键值对，其中键为某个我们自定义的类型。放入 HashMap 后，我们在外部把某一个 key 的属性进行更改，然后我们再用这个 key 从 HashMap 里取出元素，这时候 HashMap 会返回什么?

文中已给出示例代码与答案，但关于HashMap的原理没有做出解释。

1. 特性

我们可以用任何类作为HashMap的key，但是对于这些类应该有什么限制条件呢?且看下面的代码：

 
 
  
  public class Person { 
  
    private String name; 
  
    
  
    public Person(String name) { 
  
      this.name = name; 
  
    } 
  
  } 
  
    
  
  Map testMap = new HashMap<>(); 
  
  testMap.put(new Person("hello"), "world"); 
  
  testMap.get(new Person("hello")); // ---> null

本是想取出具有相等字段值Person类的value，结果却是null。对HashMap稍有了解的人看出来——Person类并没有override hashcode方法，导致其继承的是Object的hashcode(返回是其内存地址)。这也是为什么常用不变类如String(或Integer等)做为HashMap的key的原因。那么，HashMap是如何利用hashcode给key做快速索引的呢?

2. 原理

首先，我们来看《Thinking in Java》中一个简单HashMap的实现方案：

 
 
  
  //: containers/SimpleHashMap.java 
  
  // A demonstration hashed Map. 
  
  import java.util.*; 
  
  import net.mindview.util.*; 
  
    
  
  public class SimpleHashMap extends AbstractMap { 
  
   // Choose a prime number for the hash table size, to achieve a uniform distribution: 
  
   static final int SIZE = 997; 
  
   // You can't have a physical array of generics, but you can upcast to one: 
  
   @SuppressWarnings("unchecked") 
  
   LinkedList>[] buckets = 
  
    new LinkedList[SIZE]; 
  
   public V put(K key, V value) { 
  
    V oldValue = null; 
  
    int index = Math.abs(key.hashCode()) % SIZE; 
  
    if(buckets[index] == null) 
  
     buckets[index] = new LinkedList>(); 
  
    LinkedList> bucket = buckets[index]; 
  
    MapEntry pair = new MapEntry(key, value); 
  
    boolean found = false; 
  
    ListIterator> it = bucket.listIterator(); 
  
    while(it.hasNext()) { 
  
     MapEntry iPair = it.next(); 
  
     if(iPair.getKey().equals(key)) { 
  
      oldValue = iPair.getValue(); 
  
      it.set(pair); // Replace old with new 
  
      found = true; 
  
      break; 
  
     } 
  
    } 
  
    if(!found) 
  
     buckets[index].add(pair); 
  
    return oldValue; 
  
   } 
  
   public V get(Object key) { 
  
    int index = Math.abs(key.hashCode()) % SIZE; 
  
    if(buckets[index] == null) return null; 
  
    for(MapEntry iPair : buckets[index]) 
  
     if(iPair.getKey().equals(key)) 
  
      return iPair.getValue(); 
  
    return null; 
  
   } 
  
   public Set> entrySet() { 
  
    Set> set= new HashSet>(); 
  
    for(LinkedList> bucket : buckets) { 
  
     if(bucket == null) continue; 
  
     for(MapEntry mpair : bucket) 
  
      set.add(mpair); 
  
    } 
  
    return set; 
  
   } 
  
   public static void main(String[] args) { 
  
    SimpleHashMap m = 
  
     new SimpleHashMap(); 
  
    m.putAll(Countries.capitals(25)); 
  
    System.out.println(m); 
  
    System.out.println(m.get("ERITREA")); 
  
    System.out.println(m.entrySet()); 
  
   } 
  
  }

SimpleHashMap构造一个hash表来存储key，hash函数是取模运算Math.abs(key.hashCode()) % SIZE，采用链表法解决hash冲突;buckets的每一个槽位对应存放具有相同(hash后)index值的Map.Entry，如下图所示：

JDK的HashMap的实现原理与之相类似，其采用链地址的hash表table存储Map.Entry：

 
 
  
  /** 
  
   * The table, resized as necessary. Length MUST Always be a power of two. 
  
   */ 
  
  transient Entry[] table = (Entry[]) EMPTY_TABLE; 
  
    
  
  static class Entry implements Map.Entry { 
  
    final K key; 
  
    V value; 
  
    Entry next; 
  
    int hash; 
  
    … 
  
  }

Map.Entry的index是对key的hashcode进行hash后所得。当要get key对应的value时，则对key计算其index，然后在table中取出Map.Entry即可得到，具体参看代码：

 
 
  
  public V get(Object key) { 
  
    if (key == null) 
  
      return getForNullKey(); 
  
    Entry entry = getEntry(key); 
  
    
  
    return null == entry ? null : entry.getValue(); 
  
  } 
  
    
  
  final Entry getEntry(Object key) { 
  
    if (size == 0) { 
  
      return null; 
  
    } 
  
    
  
    int hash = (key == null) ? 0 : hash(key); 
  
    for (Entry e = table[indexFor(hash, table.length)]; 
  
       e != null; 
  
       ee = e.next) { 
  
      Object k; 
  
      if (e.hash == hash && 
  
        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) 
  
        return e; 
  
    } 
  
    return null; 
  
  }

可见，hashcode直接影响HashMap的hash函数的效率——好的hashcode会极大减少hash冲突，提高查询性能。同时，这也解释开篇提出的两个问题：如果自定义的类做HashMap的key，则hashcode的计算应涵盖构造函数的所有字段，否则有可能得到null。

文章名称：Java中HashMap的原理分析
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