透过Java中的HashMap了解Map接口

一直以来似乎都有一个错觉，认为map跟其他的集合类一样继承自Collection，其实不然，Map和Collection在结构层次上是没有任何关系的，通过查看源码可以发现map所有操作都是基于key-value对，而不是单独的元素。

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下面以HashMap为例子，深入对Map的实现机制进行了解，在这个过程中，请打开jdk源码。

Hash算法

HashMap使用Hash算法，所以在解剖HashMap之间，需要先简单的了解Hash算法，Hash算法一般也成为散列算法，通过散列算法将任意的值转化成固定的长度输出，该输出就是散列值，这是一种压缩映射，也就是，散列值的空间远远小于输入的值空间。

简单的说，hash算法的意义在于提供了一种快速存取数据的方法,它用一种算法建立键值与真实值之间的对应关系,(每一个真实值只能有一个键值,但是一个键值可以对应多个真实值),这样可以快速在数组等里面存取数据。

下面我们建立一个HashMap,然后往里面放入12对key-value，这个HashMap的默认数组长度为16，我们的key分别存放在该数组的格子中，每个格子下面存放的元素又是以链表的方式存放元素。

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. public   static   void  main(String[] args) { 
    2. 
  
  
  
  
  2.         Map map  =   new  HashMap(); 
    3. 
  
  
  
  
  3.         map.put( " What " ,  " chenyz " ); 
    4. 
  
  
  
  
  4.         map.put( " You " ,  " chenyz " ); 
    5. 
  
  
  
  
  5.         map.put( " Don't " ,  " chenyz " ); 
    6. 
  
  
  
  
  6.         map.put( " Know " ,  " chenyz " ); 
    7. 
  
  
  
  
  7.         map.put( " About " ,  " chenyz " ); 
    8. 
  
  
  
  
  8.         map.put( " Geo " ,  " chenyz " ); 
    9. 
  
  
  
  
  9.         map.put( " APIs " ,  " chenyz " ); 
    10. 
  
  
  
  
  10.         map.put( " Can't " ,  " chenyz " ); 
    11. 
  
  
  
  
  11.         map.put( " Hurt " ,  " chenyz " ); 
    12. 
  
  
  
  
  12.         map.put( " you " ,  " chenyz " ); 
    13. 
  
  
  
  
  13.         map.put( " google " ,  " chenyz " ); 
    14. 
  
  
  
  
  14.         map.put( " map " ,  " chenyz " ); 
    15. 
  
  
  
  
  15.         map.put( " hello " ,  " chenyz " ); 
    16. 
  
  
  
  
  16.     } 
    17.

当我们新添加一个元素时，首先我们通过Hash算法计算出这个元素的Hash值的hashcode，通过这个hashcode的值，我们就可以计算出这个新元素应该存放在这个hash表的哪个格子里面，如果这个格子中已经存在元素，那么就把新的元素加入到已经存在格子元素的链表中。

运行上面的程序，我们对HashMap源码进行一点修改，打印出每个key对象的hash值

What-->hash值：8

You-->hash值：3

Don't-->hash值：7

Know-->hash值：13

About-->hash值：11

Geo-->hash值：12

APIs-->hash值：1

Can't-->hash值：7

Hurt-->hash值：1

you-->hash值：10

google-->hash值：3

map-->hash值：8

hello-->hash值：0

计算出来的Hash值分别代表该key应该存放在Hash表中对应数字的格子中，如果该格子已经有元素存在，那么该key就以链表的方式依次放入格子中

从上表可以看出，Hash表是线性表和链表的综合所得，根据数据结构的定义，可以得出粗劣的结论，Hash算法的存取速度要比数组差一些，但是比起单纯的链表，在查找和存取方面却要好多。

如果要查找一个元素时，同样的方式，通过Hash函数计算出这个元素的Hash值hashcode，然后通过这个hashcode值，直接找到跟这个hash值相对应的线性格子，进如该格子后，对这个格子存放的链表元素逐个进行比较，直到找到对应的hash值。

在简单了解完Hash算法后，我们打开HashMap源码

初始化HashMap

下面我们看看Map map = new HashMap();这段代码究竟做了什么，发生了什么数据结构的变化。

HashMap中几个重要的属性

transient Entry[] table;

用来保存key-value的对象Entry数组，也就是Hash表

transient int size;

返回HashMap的键值对个数

final float loadFactor;

负载因子，用来决定Entry数组是否扩容的因子，HashMap默认是0.75f

int threshold;

重构因子，(capacity * load factor)负载因子与Entry[]数组容积的乘值

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. public   class  HashMap < K,V >  
    2. 
  
  
  
  
  2.      extends  AbstractMap < K,V >  
    3. 
  
  
  
  
  3.      implements  Map < K,V > , Cloneable, Serializable 
    4. 
  
  
  
  
  4. { 
    5. 
  
  
  
  
  5.      int  threshold;     
    6. 
  
  
  
  
  6. 
  
  
  
  
  7.      final   float  loadFactor; 
    8. 
  
  
  
  
  8. 
  
  
  
  
  9.      transient  Entry[] table; 
    10. 
  
  
  
  
  10. 
  
  
  
  
  11.      static   final   float  DEFAULT_LOAD_FACTOR  =   0.75f ; 
    12. 
  
  
  
  
  12. 
  
  
  
  
  13.      static   final   int  DEFAULT_INITIAL_CAPACITY  =   16 ; 
    14. 
  
  
  
  
  14. 
  
  
  
  
  15.      public  HashMap( int  initialCapacity,  float  loadFactor) { 
    16. 
  
  
  
  
  16.          if  (initialCapacity  <   0 ) 
    17. 
  
  
  
  
  17.              throw   new  IllegalArgumentException( " Illegal initial capacity:  "   +  
    18. 
  
  
  
  
  18.                                                initialCapacity); 
    19. 
  
  
  
  
  19.          if  (initialCapacity  >  MAXIMUM_CAPACITY) 
    20. 
  
  
  
  
  20.             initialCapacity  =  MAXIMUM_CAPACITY; 
    21. 
  
  
  
  
  21.          if  (loadFactor  <=   0   ||  Float.isNaN(loadFactor)) 
    22. 
  
  
  
  
  22.              throw   new  IllegalArgumentException( " Illegal load factor:  "   +  
    23. 
  
  
  
  
  23.                                                loadFactor); 
    24. 
  
  
  
  
  24. 
  
  
  
  
  25.          //  Find a power of 2 >= initialCapacity  
    26. 
  
  
  
  
  26.          int  capacity  =   1 ; 
    27. 
  
  
  
  
  27.          while  (capacity  <  initialCapacity) 
    28. 
  
  
  
  
  28.             capacity  <<=   1 ; 
    29. 
  
  
  
  
  29. 
  
  
  
  
  30.          this .loadFactor  =  loadFactor; 
    31. 
  
  
  
  
  31.         threshold  =  ( int )(capacity  *  loadFactor); 
    32. 
  
  
  
  
  32.         table  =   new  Entry[capacity]; 
    33. 
  
  
  
  
  33.         init(); 
    34. 
  
  
  
  
  34.     } 
    35.

以public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)构造函数为例，另外两个构造函数实际上也是以同种方式来构建HashMap.

首先是要确定hashMap的初始化的长度，这里使用的策略是循环查出一个大于initialCapacity的2的次方的数，例如 initialCapacity的值是10，那么大于10的数是2的4次方，也就是16

capacity的值被赋予了16，那么实际上table数组的长度是16，之所以采用这样的策略来构建Hash表的长度，是因为2的次方运算对于计算机来说是有相当的效率。

loadFactor，被称为负载因子，HashMap的默认负载因子是0.75f

threshold，接下来是重构因子，由负载因子和容量的乘机组成，它表示当HashMap元素被存放了多少个之后，需要对HashMap进行重构。

通过这一系列的计算和定义后，初始化Entry[] table;

put(key,value)

接下来看一对key-value是如何被存放到HashMap中：put(key,value)

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1.  public  V put(K key, V value) { 
    2. 
  
  
  
  
  2.      if  (key  ==   null ) 
    3. 
  
  
  
  
  3.          return  putForNullKey(value); 
    4. 
  
  
  
  
  4.      int  hash  =  hash(key.hashCode()); 
    5. 
  
  
  
  
  5.      
    6. 
  
  
  
  
  6.      int  i  =  indexFor(hash, table.length); 
    7. 
  
  
  
  
  7.     System.out.println(key + " -->hash值： " + i); // 这就是刚才程序打印出来的key对应hash值  
    8. 
  
  
  
  
  8.      for  (Entry < K,V >  e  =  table[i]; e  !=   null ; e  =  e.next) { 
    9. 
  
  
  
  
  9.         Object k; 
    10. 
  
  
  
  
  10.          if  (e.hash  ==  hash  &&  ((k  =  e.key)  ==  key  ||  key.equals(k))) { 
    11. 
  
  
  
  
  11.             V oldValue  =  e.value; 
    12. 
  
  
  
  
  12.             e.value  =  value; 
    13. 
  
  
  
  
  13.             e.recordAccess( this ); 
    14. 
  
  
  
  
  14.              return  oldValue; 
    15. 
  
  
  
  
  15.         } 
    16. 
  
  
  
  
  16.     } 
    17. 
  
  
  
  
  17. 
  
  
  
  
  18.     modCount ++ ; 
    19. 
  
  
  
  
  19.     addEntry(hash, key, value, i); 
    20. 
  
  
  
  
  20.      return   null ; 
    21. 
  
  
  
  
  21. } 
    22. 
  
  
  
  
  22. 
  
  
  
  
  23.  static   int  hash( int  h) { 
    24. 
  
  
  
  
  24.     h  ^=  (h  >>>   20 )  ^  (h  >>>   12 ); 
    25. 
  
  
  
  
  25.      return  h  ^  (h  >>>   7 )  ^  (h  >>>   4 ); 
    26. 
  
  
  
  
  26. } 
    27. 
  
  
  
  
  27. 
  
  
  
  
  28.  static   int  indexFor( int  h,  int  length) { 
    29. 
  
  
  
  
  29.      return  h  &  (length - 1 ); 
    30. 
  
  
  
  
  30. } 
    31.

这里是整个hash的关键，请打开源码查看一步一步查看。

hash(key.hashCode()) 计算出key的hash码 //对于hash()的算法，这里有一篇分析很透彻的文章

indexFor(hash, table.length) 通过一个与算法计算出来，该key应在存放在Hash表的哪个格子中。

for (Entry e = table[i]; e != null; e = e.next) 然后再遍历table[i]格中的链表，判断是否已经存在一样的key，如果存在一样的key值，那么就用新的value覆盖旧的value，并把旧的value值返回。

addEntry(hash, key, value, i) 如果经过遍历链表没有发现同样的key，那么进行addEntry函数的操作，增加当前key到hash表中的第i个格子中的链表中

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. void  addEntry( int  hash, K key, V value,  int  bucketIndex) { 
    2. 
  
  
  
  
  2.    Entry < K,V >  e  =  table[bucketIndex]; 
    3. 
  
  
  
  
  3.    table[bucketIndex]  =   new  Entry < K,V > (hash, key, value, e); 
    4. 
  
  
  
  
  4.     if  (size ++   >=  threshold) 
    5. 
  
  
  
  
  5.        resize( 2   *  table.length); 
    6. 
  
  
  
  
  6.  
    7.

Entry e = table[bucketIndex];   创建一个Entry对象来存放键值（ps:Entry对象是一个链表对象）

table[bucketIndex] = new Entry(hash, key, value, e); 将Entry对象添加到链表中

if (size++ >= threshold) resize(2 * table.length); ***将size进行自增，判断size值是否大于重构因子，如果大于那么就是用resize进行扩容重构。

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. void  resize( int  newCapacity) { 
    2. 
  
  
  
  
  2.    Entry[] oldTable  =  table; 
    3. 
  
  
  
  
  3.     int  oldCapacity  =  oldTable.length; 
    4. 
  
  
  
  
  4.     if  (oldCapacity  ==  MAXIMUM_CAPACITY) { 
    5. 
  
  
  
  
  5.        threshold  =  Integer.MAX_VALUE; 
    6. 
  
  
  
  
  6.         return ; 
    7. 
  
  
  
  
  7.    } 
    8. 
  
  
  
  
  8. 
  
  
  
  
  9.    Entry[] newTable  =   new  Entry[newCapacity]; 
    10. 
  
  
  
  
  10.    transfer(newTable); 
    11. 
  
  
  
  
  11.    table  =  newTable; 
    12. 
  
  
  
  
  12.    threshold  =  ( int )(newCapacity  *  loadFactor); 
    13. 
  
  
  
  
  13.  
    14.

这里为什么是否需要扩容重构，其实是涉及到负载因子的性能问题

loadFactor负载因子

上面说过loadFactor是一个hashMap的决定性属性，HashSet和HashMap的默认负载因子都是0.75，它表示，如果哈希表的容量超过3/4时，将自动成倍的增加哈希表的容量，这个值是权衡了时间和空间的成本，如果负载因子较高，虽然会减少对内存空间的需求，但也会增加查找数据的时间开销，无论是put()和get()都涉及到对数据进行查找的动作，所以负载因子是不适宜设置过高

get(key)

接下来看看get(key)做了什么

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1.  public  V get(Object key) { 
    2. 
  
  
  
  
  2.      if  (key  ==   null ) 
    3. 
  
  
  
  
  3.          return  getForNullKey(); 
    4. 
  
  
  
  
  4.      int  hash  =  hash(key.hashCode()); 
    5. 
  
  
  
  
  5.      for  (Entry < K,V >  e  =  table[indexFor(hash, table.length)]; 
    6. 
  
  
  
  
  6.          e  !=   null ; 
    7. 
  
  
  
  
  7.          e  =  e.next) { 
    8. 
  
  
  
  
  8.         Object k; 
    9. 
  
  
  
  
  9.          if  (e.hash  ==  hash  &&  ((k  =  e.key)  ==  key  ||  key.equals(k))) 
    10. 
  
  
  
  
  10.              return  e.value; 
    11. 
  
  
  
  
  11.     } 
    12. 
  
  
  
  
  12.      return   null ; 
    13. 
  
  
  
  
  13. } 
    14.

这些动作似乎是跟put(key，value)相识，通过hash算法获取key的hash码，再通过indexFor定位出该key存在于table的哪一个下表，获取该下标然后对下标中的链表进行遍历比对，如果有符合就直接返回该key的value值。

keySet()

这里还涉及另一个问题，上面说了HashMap是跟set没有任何亲属关系，但map也一样实现了keySet接口，下面谱析一下keySet在hashMap中是如何实现的，这里给出部分代码，请结合源码查看

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. public  K next() { 
    2. 
  
  
  
  
  2.              return  nextEntry().getKey(); 
    3. 
  
  
  
  
  3.         } 
    4. 
  
  
  
  
  4. 
  
  
  
  
  5.      final  Entry < K,V >  nextEntry() { 
    6. 
  
  
  
  
  6.              if  (modCount  !=  expectedModCount) 
    7. 
  
  
  
  
  7.                  throw   new  ConcurrentModificationException(); 
    8. 
  
  
  
  
  8.             Entry < K,V >  e  =  next; 
    9. 
  
  
  
  
  9.              if  (e  ==   null ) 
    10. 
  
  
  
  
  10.                  throw   new  NoSuchElementException(); 
    11. 
  
  
  
  
  11. 
  
  
  
  
  12.              if  ((next  =  e.next)  ==   null ) { 
    13. 
  
  
  
  
  13.                 Entry[] t  =  table; 
    14. 
  
  
  
  
  14.                  while  (index  <  t.length  &&  (next  =  t[index ++ ])  ==   null ) 
    15. 
  
  
  
  
  15.                     ; 
    16. 
  
  
  
  
  16.             } 
    17. 
  
  
  
  
  17.         current  =  e; 
    18. 
  
  
  
  
  18.              return  e; 
    19. 
  
  
  
  
  19.         } 
    20.

代码很简单，就是对每个格子里面的链表进行遍历，也正是这个原因，当我们依次将key值put进hashMap中，但在使用map.entrySet().iterator()进行遍历时候却不是put时候的顺序。

扩容

在前面说到put函数的时候，已经提过了扩容的问题

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. if  (size ++   >=  threshold) 
    2. 
  
  
  
  
  2. resize( 2   *  table.length); 
    3.

这里一个是否扩容的判断，当数据达到了threshold所谓的重构因子，而不是HashMap的***容量，就进行扩容。

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. Entry[] oldTable  
    2. 
  
  
  
  
  2. 
  
  
  
  
  3. threshold  
    4. 
  
  
  
  
  4. } 
    5. 
  
  
  
  
  5.  Entry[] newTable  
    6. 
  
  
  
  
  6.         transfer(newTable); 
    7. 
  
  
  
  
  7.         table  
    8. 
  
  
  
  
  8.         threshold  
    9. 
  
  
  
  
  9.     } 
    10. 
  
  
  
  
  10.         Entry[] src  
    11. 
  
  
  
  
  11.             Entry 
    12. 
  
  
  
  
  12.                 src[j]  
    13. 
  
  
  
  
  13.                     Entry 
    14. 
  
  
  
  
  14.                     e.next  
    15. 
  
  
  
  
  15.                    newTable[i]  
    16. 
  
  
  
  
  16.                     e  
    17. 
  
  
  
  
  17.                 }  
    18. 
  
  
  
  
  18.             } 
    19. 
  
  
  
  
  19.         } 
    20. 
  
  
  
  
  20.     } 
    21. 
  
  
  
  
  21. void  resize( int  newCapacity)  
    22. 
  
  
  
  
  22. { =  table; int  oldCapacity  =  oldTable.length;
    23. 
  
  
  
  
  23. if  (oldCapacity  ==  MAXIMUM_CAPACITY) { =  Integer.MAX_VALUE;  
    24. 
  
  
  
  
  24. return ; =   new  Entry[newCapacity];
    25. 
  
  
  
  
  25.  =  newTable; =  ( int )(newCapacity  *  loadFactor);
    26. 
  
  
  
  
  26. void  transfer(Entry[] newTable)
    27. 
  
  
  
  
  27. { =  table; int  newCapacity  =  newTable.length;
    28. 
  
  
  
  
  28. for  ( int  j  =   0 ; j  <  src.length; j ++ ) { < K,V >  e  =  src[j];
    29. 
  
  
  
  
  29. if  (e  !=   null ) { =   null ; do  { < K,V >  next  =  e.next;
    30. 
  
  
  
  
  30. int  i  =  indexFor(e.hash, newCapacity);
    31. 
  
  
  
  
  31. =  newTable[i]; =  e; =  next;
    32. 
  
  
  
  
  32. while  (e  !=   null );
    33.

transfer方法实际上是将所有的元素重新进行一些hash，这是因为容量变化了，每个元素相对应的hash值也会不一样。

使用HashMap

1.不要再高并发中使用HashMap，HashMap是线程不安全，如果被多个线程共享之后，将可能发生不可预知的问题。

2.如果数据大小事固定的，***在初始化的时候就给HashMap一个合理的容量值，如果使用new HashMap()默认构造函数，重构因子的值是16*0.75=12，当HashMap的容量超过了12后，就会进行一系列的扩容运算，重建一个原来成倍的数组，并且对原来存在的元素进行重新的hash运算，如果你的数据是有成千上万的，那么你的成千上万的数据也要跟这你的扩容不断的hash，这将产生高额的内存和cpu的大量开销。

当然啦，HashMap的函数还有很多，不过都是基于table的链表进行操作，当然也就是hash算法，Map & hashMap在平时我们的应用非常多，最重要的是我们要对每句代码中每块数据结构变化心中有数。

当前文章：透过Java中的HashMap了解Map接口
标题来源：http://www.gawzjz.com/qtweb2/news3/1303.html

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