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HashMap底层实现及原理

发布时间:2019-07-03 04:42 来源:未知 编辑:admin

  对于HashSst及其子类而言,它们采用Hash算法来决定集合中元素的存储位置,并通过Hash算法来控制集合大小;对于HashMap,HashTable及其子类而言,

  他们采用Hash算法来决定Map中的key的存储,并通过 Hash来增加key结合的大小。

  Hash表里面可以存储元素的位置称为“桶(bucket)”在通常情况下,单个“桶”里面存储一个元素,此时有最好的性能:

  原因:Hash算法可以根据hashcode值计算出桶 的存储位置,接着从桶中取出元素。

  但是Hash表的状态是Open状态的解释:在发生Hash冲突的情况下,单个桶会存储多个元素,这些元素以链表的形式存储,必须按顺序搜索;

  散列法(Hashing)是一种将字符组成的字符串转换为固定长度(一般是更短长度)的数值或索引值的方法,称为散列法,也叫哈希法。

  由于通过更短的哈希值比用原始值进行数据库搜索更快,这种方法一般用来在数据库中建立索引并进行搜索,同时还用在各种解密算法中。

  HashMap是基于哈希表的Map接口的非同步实现。此实现提供所有可选的映射操作,并允许使用null值和null键。HashMap储存的是键值对,HashMap很快。此类不保证映射的顺序,特别是它不保证该顺序恒久不变。

  HashMap实际上是一个“链表散列”的数据结构,即数组和链表的结合体。

  基本原理:先声明一个下标范围比较大的数组来存储元素。另外设计一个哈希函数(也叫做散列函数)来获得每一个元素的Key(关键字)的函数值(即数组下标,hash值)相对应,

  数组存储的元素是一个Entry类,这个类有三个数据域,key、value(键值对),next(指向下一个Entry)。

  第三个键值对 C,index也等于0,那么C.next = B,Entry[0] = C;这样我们发现index=0的地方事实上存取了A,B,C三个键值对,它们通过next这个属性链接在一起。我们可以将这个地方称为桶。

  对于不同的元素,可能计算出了相同的函数值,这样就产生了“冲突”,这就需要解决冲突,“直接定址”与“解决冲突”是哈希表的两大特点。

  当我们给put()方法传递键和值时,我们先对键调用hashCode()方法,返回的hashCode用于找到bucket(桶)位置来储存Entry对象。”HashMap是在bucket中储存键对象和值对象,

  ①.判断键值对数组table[i]是否为空或为null,否则执行resize()进行扩容;

  ②.根据键值key计算hash值得到插入的数组索引i,如果table[i]==null,直接新建节点添加,转向⑥,如果table[i]不为空,转向③;

  ③.判断table[i]的首个元素是否和key一样,如果相同直接覆盖value,否则转向④,这里的相同指的是hashCode以及equals;

  ④.判断table[i] 是否为treeNode,即table[i] 是否是红黑树,如果是红黑树,则直接在树中插入键值对,否则转向⑤;

  ⑤.遍历table[i],判断链表长度是否大于8,大于8的话把链表转换为红黑树,在红黑树中执行插入操作,否则进行链表的插入操作;遍历过程中若发现key已经存在直接覆盖value即可;

  ⑥.插入成功后,判断实际存在的键值对数量size是否超多了最大容量threshold,如果超过,进行扩容。

  2、调用内部方法 getNode(),得到桶号(一般为hash值对桶数求模)

  3、比较桶的内部元素是否与key相等,若都不相等,则没有找到。相等,则取出相等记录的value。

  4、如果得到 key 所在的桶的头结点恰好是红黑树节点,就调用红黑树节点的 getTreeNode() 方法,否则就遍历链表节点。getTreeNode 方法使通过调用树形节点的 find()方法进行查找。由于之前添加时已经保证这个树是有序的,因此查找时基本就是折半查找,效率很高。

  5、如果对比节点的哈希值和要查找的哈希值相等,就会判断 key 是否相等,相等就直接返回;不相等就从子树中递归查找。

  HashMap中直接地址用hash函数生成;解决冲突,用比较函数解决。如果每个桶内部只有一个元素,那么查找的时候只有一次比较。当许多桶内没有值时,许多查询就会更快了(指查不到的时候)。

  Note:HashMap的扩容操作是一项很耗时的任务,所以如果能估算Map的容量,最好给它一个默认初始值,避免进行多次扩容。HashMap的线程是不安全的,多线程环境中推荐是ConcurrentHashMap。

  两者最主要的区别在于Hashtable是线程安全,而HashMap则非线程安全。

  Hashtable的实现方法里面都添加了synchronized关键字来确保线程同步,因此相对而言HashMap性能会高一些,我们平时使用时若无特殊需求建议使用HashMap,

  虽说HashMap支持null值作为key,不过建议还是尽量避免这样使用,因为一旦不小心使用了,若因此引发一些问题,排查起来很是费事。

  HashMap的初始容量为16,Hashtable初始容量为11,两者的填充因子默认都是0.75。

  HashMap采用Entry数组来存储key-value对,每一个键值对组成了一个Entry实体,Entry类实际上是一个单向的链表结构,它具有Next指针,可以连接下一个Entry实体,以此来解决Hash冲突的问题。

  数组存储区间是连续的,占用内存严重,故空间复杂的很大。但数组的二分查找时间复杂度小,为O(1);数组的特点是:寻址容易,插入和删除困难;

  链表存储区间离散,占用内存比较宽松,故空间复杂度很小,但时间复杂度很大,达O(N)。链表的特点是:寻址困难,插入和删除容易。

  从上图我们可以发现数据结构由数组+链表组成,一个长度为16的数组中,每个元素存储的是一个链表的头结点。那么这些元素是按照什么样的规则存储到数组中呢。

  HashMap里面用到链式数据结构的一个概念。上面我们提到过Entry类里面有一个next属性,作用是指向下一个Entry。打个比方, 第一个键值对A进来,

  通过计算其key的hash得到的index=0,记做:Entry[0] = A。一会后又进来一个键值对B,通过计算其index也等于0,现在怎么办?

  他们通过next这个属性链接在一起。所以疑问不用担心。也就是说数组中存储的是最后插入的元素。到这里为止,HashMap的大致实现,我们应该已经清楚了。

  HashMap提供了四个构造方法,构造方法中 ,依靠第三个方法来执行的,但是前三个方法都没有进行数组的初始化操作,

  即使调用了构造方法此时存放HaspMap中数组元素的table表长度依旧为0 。在第四个构造方法中调用了inflateTable()方法完成了table的初始化操作,并将m中的元素添加到HashMap中。

  在该方法中,添加键值对时,首先进行table是否初始化的判断,如果没有进行初始化(分配空间,Entry[]数组的长度)。然后进行key是否为null的判断,

  如果key==null ,放置在Entry[]的0号位置。计算在Entry[]数组的存储位置,判断该位置上是否已有元素,如果已经有元素存在,则遍历该Entry[]数组位置上的单链表。

  判断key是否存在,如果key已经存在,则用新的value值,替换点旧的value值,并将旧的value值返回。如果key不存在于HashMap中,程序继续向下执行。

  添加到方法的具体操作,在添加之前先进行容量的判断,如果当前容量达到了阈值,并且需要存储到Entry[]数组中,先进性扩容操作,空充的容量为table长度的2倍。

  重新计算hash值,和数组存储的位置,扩容后的链表顺序与扩容前的链表顺序相反。然后将新添加的Entry实体存放到当前Entry[]位置链表的头部。

  在1.8之前,新插入的元素都是放在了链表的头部位置,但是这种操作在高并发的环境下容易导致死锁,所以1.8之后,新插入的元素都放在了链表的尾部。

  在get方法中,首先计算hash值,然后调用indexFor()方法得到该key在table中的存储位置,得到该位置的单链表,遍历列表找到key和指定key内容相等的Entry,返回entry.value值。

  删除操作,先计算指定key的hash值,然后计算出table中的存储位置,判断当前位置是否Entry实体存在,如果没有直接返回,若当前位置有Entry实体存在,

  则开始遍历列表。定义了三个Entry引用,分别为pre, e ,next。 在循环遍历的过程中,首先判断pre 和 e 是否相等,若相等表明,table的当前位置只有一个元素,

  在Jdk1.8中HashMap的实现方式做了一些改变,但是基本思想还是没有变得,只是在一些地方做了优化,下面来看一下这些改变的地方,数据结构的存储由数组+链表的方式,变化为数组+链表+红黑树的存储方式,当链表长度超过阈值(8)时,将链表转换为红黑树。在性能上进一步得到提升。

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