Java HashMap原理分析

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2023-03-14

本文主要介绍HashMap工作原理，了解哈希算法的计算过程。

1 什么是哈希(散列)(Hashing)

哈希是通过使用方法hashCode() 将对象转换为整数形式的过程。必须正确编写hashCode() 方法，以提高HashMap的性能。在这里，我使用自己的类的键，以便可以覆盖hashCode() 方法以显示不同的场景。看下面的代码：

package cn.xnip;

/**
 * 小牛知识库网： https://www.xnip.cn
 */
/**
 * Java HashMap的工作原理分析
 */
//Key类覆盖了hashCode方法和equals方法
class Key
{
    String key;
    Key(String key)
    {
        this.key = key;
    }

    @Override
    public int hashCode()
    {
        return (int)key.charAt(0);
    }

    @Override
    public boolean equals(Object obj)
    {
        return key.equals((String)obj);
    }
}

上面的Key类覆盖的hashCode() 方法返回第一个字符的ASCII值作为哈希码。因此，只要key的第一个字符相同，哈希码就会相同（当然以上程序只是演示，实际开发中不应该这样覆盖hashCode()方法）。由于HashMap还允许使用null键，因此null的哈希码将始终为0。

2 HashMap hashCode()方法

2.1 什么是hashcode

hashcode就是通过hash函数得来的，通俗的说，就是通过某一种算法得到的，hashcode就是在hash表中有对应的位置。

每个对象都有hashcode，对象的hashcode怎么得来的呢？

首先一个对象肯定有物理地址，网上有人把对象的hashcode说成是对象的地址，事实上这种看法是不全面的，确实有些JVM在实现时是直接返回对象的存储地址，但是大多时候并不是这样，只能说可能存储地址有一定关联,

那么对象如何得到hashcode呢？通过对象的内部地址(也就是物理地址)转换成一个整数，然后该整数通过hash函数的算法就得到了hashcode，所以，hashcode是什么呢？就是在hash表中对应的位置。这里如果还不是很清楚的话，举个例子，hash表中有 hashcode为1、hashcode为2、(...)3、4、5、6、7、8这样八个位置，有一个对象A，A的物理地址转换为一个整数17(这是假如)，就通过直接取余算法，17%8=1，那么A的hashcode就为1，且A就在hash表中1的位置。

2.2 为什么要使用hashcode

HashCode的存在主要是为了查找的快捷性, HashCode是用来在散列存储结构中确定对象的存储地址的 ( 用hashcode来代表对象在hash表中的位置 ) , hashCode 存在的重要的原因之一就是在 HashMap(HashSet 其实就是HashMap) 中使用（其实Object 类的 hashCode 方法注释已经说明了），HashMap 之所以速度快，因为他使用的是散列表，根据 key 的 hashcode 值生成数组下标（通过内存地址直接查找，不需要判断, 但是需要多出很多内存，相当于以空间换时间）

比如：我们有一个能存放1000个数这样大的内存中，在其中要存放1000个不一样的数字，用最笨的方法，就是存一个数字，就遍历一遍，看有没有相同得数，当存了900个数字，开始存901个数字的时候，就需要跟900个数字进行对比，这样就很麻烦，很是消耗时间，用hashcode来记录对象的位置，来看一下。hash表中有1、2、3、4、5、6、7、8个位置，存第一个数，hashcode为1，该数就放在hash表中1的位置，存到100个数字，hash表中8个位置会有很多数字了，1中可能有20个数字，存101个数字时，他先查hashcode值对应的位置，假设为1，那么就有20个数字和他的hashcode相同，他只需要跟这20个数字相比较(equals)，如果每一个相同，那么就放在1这个位置，这样比较的次数就少了很多，实际上hash表中有很多位置，这里只是举例只有8个，所以比较的次数会让你觉得也挺多的，实际上，如果hash表很大，那么比较的次数就很少很少了。通过对原始方法和使用hashcode方法进行对比，我们就知道了hashcode的作用，并且为什么要使用hashcode了。

3 HashMap equals()方法

equals方法用于判断2个对象是否相等。此方法由Object类提供。您可以在您的类中重写此方法以提供您自己的实现。
HashMap使用equals() 比较key是否相等。如果equals() 方法返回true，则它们相等，否则不相等。

4 HashMap 存储桶

存储桶是HashMap数组的一个元素。它用于存储节点。两个或多个节点可以具有相同的存储桶。在那种情况下，链接列表结构用于连接节点，存储桶与容量之间的关系如下：

存储桶容量 = 存储桶节点数量 * 负载因子

一个存储桶可以有多个节点，这取决于hashCode() 方法。您的hashCode() 方法越好，您的存储桶将被利用得越好。

5 HashMap的索引计算过程

键的哈希码可能足够大以创建数组。生成的哈希码可能在整数范围内，如果我们为该范围创建数组，则很容易导致outOfMemoryException。因此我们生成索引以最小化数组的大小。基本上执行以下操作来计算索引。

index= hashCode(key)＆(n-1)。

其中n是存储桶数或数组大小。在我们的示例中，我将n设置为默认大小16。

HashMap map = new HashMap();

插入键值对：在HashMap上方放置一个键值对

map.put(new Key("vishal"), 20);

步骤：

计算key{"vishal"}的哈希码。它将生成为118。
使用索引方法计算索引将为6。
创建一个节点对象为：

{
  int hash = 118

  // {"vishal"} is not a string but 
  // an object of class Key
  Key key = {"vishal"}

  Integer value = 20
  Node next = null
}

4.如果没有其他对象，则将该对象放置在索引6处。

现在，HashMap变为：

插入另一个键值对：

map.put(new Key("sachin"), 30);

步骤：

计算密钥{"sachin"}的hashCode。它将生成为115。
使用索引方法计算索引将为3。
创建一个节点对象为：

{
  int hash = 115
  Key key = {"sachin"}
  Integer value = 30
  Node next = null
}

如果此处没有其他对象，则将该对象放置在索引3处。
现在，HashMap变为：

万一发生碰撞：现在，再放一对：

map.put(new Key("vaibhav"), 40);

步骤：

计算密钥{"vaibhav"}的哈希码。它将生成为118。
使用索引方法计算索引将为6。
创建一个节点对象为：

 {
  int hash = 118
  Key key = {"vaibhav"}
  Integer value = 40
  Node next = null
}

4. 如果此处没有其他对象，则将该对象放置在索引6处。
5. 在这种情况下，将在索引6处找到一个节点对象–这是一种冲突情况。
6. 在这种情况下，请通过hashCode() 和equals() 方法检查两个键是否相同。
7. 如果键相同，则用当前值替换该值。
8. 否则，通过链接列表将此节点对象连接到先前的节点对象，并且两者都存储在索引6中。
现在，HashMap变为：

6 HashMap get()方法

现在让我们尝试一些获取值的方法。get(K key) 方法用于通过其键获取值。如果您不知道key，则无法获取值。

6.1 获取key为sachin的数据

map.get(new Key("sachin"));

步骤：

计算密钥{"sachin"}的哈希码。它将生成为115。
使用索引方法计算索引将为3。
转到数组的索引3并将第一个元素的键与给定的键进行比较。如果两者相等，则返回该值，否则检查下一个元素是否存在。
在我们的例子中，它是第一个元素，返回值为30。

6.2 获取key为vaibahv的数据

步骤：

计算key{"vaibhav"}的哈希码。它将生成为118。
使用索引方法计算索引将为6。
转到数组的索引6，然后将第一个元素的键与给定的键进行比较。如果两者相等，则返回该值，否则检查下一个元素是否存在。
在我们的情况下，找不到它作为第一个元素，而节点对象的下一个也不为空。
如果节点的下一个为null，则返回null。
如果节点的next不为空，则遍历第二个元素并重复过程3，直到找不到键或next不为空。

7 HashMap原理分析完整代码

package cn.xnip;

/**
 * 小牛知识库网： https://www.xnip.cn
 */
/**
 * Java HashMap的工作原理分析
 */
import java.util.HashMap;

class Key {
    String key;
    Key(String key)
    {
        this.key = key;
    }

    @Override
    public int hashCode()
    {
        int hash = (int)key.charAt(0);
        System.out.println("hashCode for key: "
                + key + " = " + hash);
        return hash;
    }

    @Override
    public boolean equals(Object obj)
    {
        return key.equals(((Key)obj).key);
    }
}

//
public class Demo {
    public static void main(String[] args)
    {
        HashMap map = new HashMap();
        map.put(new Key("vishal"), 20);
        map.put(new Key("sachin"), 30);
        map.put(new Key("vaibhav"), 40);

        System.out.println();
        System.out.println("Value for key sachin: " + map.get(new Key("sachin")));
        System.out.println("Value for key vaibhav: " + map.get(new Key("vaibhav")));
    }
}

输出结果为：

hashCode for key: vishal = 118
hashCode for key: sachin = 115
hashCode for key: vaibhav = 118

hashCode for key: sachin = 115
Value for key sachin: 30
hashCode for key: vaibhav = 118
Value for key vaibhav: 40