Java HashMap的工作原理

面试的时候经常会遇见诸如:“java中的HashMap是怎么工作的”,“HashMap的get和put内部的工作原理”这样的问题。本文将用一个简单的例子来解释下HashMap内部的工作原理。首先我们从一个例子开始,而不仅仅是从理论上,这样,有助于更好地理解,然后,我们来看下get和put到底是怎样工作的。

我们来看个非常简单的例子。有一个”国家”(Country)类,我们将要用Country对象作为key,它的首都的名字(String类型)作为value。下面的例子有助于我们理解key-value对在HashMap中是如何存储的。

1. Country.java

package org.arpit.javapostsforlearning;
public class Country {

 String name;
 long population;

 public Country(String name, long population) {
  super();
  this.name = name;
  this.population = population;
 }
 public String getName() {
  return name;
 }
 public void setName(String name) {
  this.name = name;
 }
 public long getPopulation() {
  return population;
 }
 public void setPopulation(long population) {
  this.population = population;
 }

 // If length of name in country object is even then return 31(any random number) and if odd then return 95(any random number).
 // This is not a good practice to generate hashcode as below method but I am doing so to give better and easy understanding of hashmap.
 @Override
 public int hashCode() {
  if(this.name.length()%2==0)
   return 31;
  else 
   return 95;
 }
 @Override
 public boolean equals(Object obj) {

  Country other = (Country) obj;
   if (name.equalsIgnoreCase((other.name)))
   return true;
  return false;
 }

}

如果想了解更多关于Object对象的hashcode和equals方法的东西,可以参考:
java中的hashcode()和equals()方法

2. HashMapStructure.java(main class)

import java.util.HashMap;
import java.util.Iterator;
  
public class HashMapStructure {
  
    /**
     * @author Arpit Mandliya
     */
    public static void main(String[] args) {
          
        Country india=new Country("India",1000);
        Country japan=new Country("Japan",10000);
          
        Country france=new Country("France",2000);
        Country russia=new Country("Russia",20000);
          
        HashMap<country,string> countryCapitalMap=new HashMap<country,string>();
        countryCapitalMap.put(india,"Delhi");
        countryCapitalMap.put(japan,"Tokyo");
        countryCapitalMap.put(france,"Paris");
        countryCapitalMap.put(russia,"Moscow");
          
        Iterator<country> countryCapitalIter=countryCapitalMap.keySet().iterator();//put debug point at this line
        while(countryCapitalIter.hasNext())
        {
            Country countryObj=countryCapitalIter.next();
            String capital=countryCapitalMap.get(countryObj);
            System.out.println(countryObj.getName()+"----"+capital);
            }
        }
  
  
} 

现在,在第23行设置一个断点,在项目上右击->调试运行(debug as)->java应用(java application)。程序会停在23行,然后在countryCapitalMap上右击,选择“查看”(watch)。将会看到如下的结构:

从上图可以观察到以下几点:

  1. 有一个叫做table大小是16的Entry数组。

  2. 这个table数组存储了Entry类的对象。HashMap类有一个叫做Entry的内部类。这个Entry类包含了key-value作为实例变量。我们来看下Entry类的结构。Entry类的结构:

static class Entry implements Map.Entry
{
        final K key;
        V value;
        Entry next;
        final int hash;
        ...//More code goes here
}   `
  1. 每当往hashmap里面存放key-value对的时候,都会为它们实例化一个Entry对象,这个Entry对象就会存储在前面提到的Entry数组table中。现在你一定很想知道,上面创建的Entry对象将会存放在具体哪个位置(在table中的精确位置)。答案就是,根据key的hashcode()方法计算出来的hash值(来决定)。hash值用来计算key在Entry数组的索引。

  2. 现在,如果你看下上图中数组的索引10,它有一个叫做HashMap$Entry的Entry对象。

  3. 我们往hashmap放了4个key-value对,但是看上去好像只有2个元素!!!这是因为,如果两个元素有相同的hashcode,它们会被放在同一个索引上。问题出现了,该怎么放呢?原来它是以链表(LinkedList)的形式来存储的(逻辑上)。

上面的country对象的key-value的hash值是如何计算出来的。

`

<code>Japan的Hash值是95,它的长度是奇数。

India的Hash值是95,它的长度是奇数。

Russia的Hash值是31,它的长度是偶数。

France,它的长度是偶数。
</code>

`

下图会清晰的从概念上解释下链表。

所以,现在假如你已经很好地了解了hashmap的结构,让我们看下put和get方法。

Put :

让我们看下put方法的实现:

/**
  * Associates the specified value with the specified key in this map. If the
  * map previously contained a mapping for the key, the old value is
  * replaced.
  *
  * @param key
  *            key with which the specified value is to be associated
  * @param value
  *            value to be associated with the specified key
  * @return the previous value associated with <tt>key</tt>, or <tt>null</tt>
  *         if there was no mapping for <tt>key</tt>. (A <tt>null</tt> return
  *         can also indicate that the map previously associated
  *         <tt>null</tt> with <tt>key</tt>.)
  */
 public V put(K key, V value) {
  if (key == null)
   return putForNullKey(value);
  int hash = hash(key.hashCode());
  int i = indexFor(hash, table.length);
  for (Entry<k , V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
   Object k;
   if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
    V oldValue = e.value;
    e.value = value;
    e.recordAccess(this);
    return oldValue;
   }
  }

  modCount++;
  addEntry(hash, key, value, i);
  return null;
 }

现在我们一步一步来看下上面的代码。

  1. 对key做null检查。如果key是null,会被存储到table[0],因为null的hash值总是0。

  2. key的hashcode()方法会被调用,然后计算hash值。hash值用来找到存储Entry对象的数组的索引。有时候hash函数可能写的很不好,所以JDK的设计者添加了另一个叫做hash()的方法,它接收刚才计算的hash值作为参数。如果你想了解更多关于hash()函数的东西,可以参考:hashmap中的hash和indexFor方法

  3. indexFor(hash,table.length)用来计算在table数组中存储Entry对象的精确的索引。

  4. 在我们的例子中已经看到,如果两个key有相同的hash值(也叫冲突),他们会以链表的形式来存储。所以,这里我们就迭代链表。

  • 如果在刚才计算出来的索引位置没有元素,直接把Entry对象放在那个索引上。
  • 如果索引上有元素,然后会进行迭代,一直到Entry->next是null。当前的Entry对象变成链表的下一个节点。
  • 如果我们再次放入同样的key会怎样呢?逻辑上,它应该替换老的value。事实上,它确实是这么做的。在迭代的过程中,会调用equals()方法来检查key的相等性(key.equals(k)),如果这个方法返回true,它就会用当前Entry的value来替换之前的value。

Get:

现在我们来看下get方法的实现:

/**
  * Returns the value to which the specified key is mapped, or {@code null}
  * if this map contains no mapping for the key.
  *
  * <p>
  * More formally, if this map contains a mapping from a key {@code k} to a
  * value {@code v} such that {@code (key==null ? k==null :
  * key.equals(k))}, then this method returns {@code v}; otherwise it returns
  * {@code null}. (There can be at most one such mapping.)
  *
  * </p><p>
  * A return value of {@code null} does not <i>necessarily</i> indicate that
  * the map contains no mapping for the key; it's also possible that the map
  * explicitly maps the key to {@code null}. The {@link #containsKey
  * containsKey} operation may be used to distinguish these two cases.
  *
  * @see #put(Object, Object)
  */
 public V get(Object key) {
  if (key == null)
   return getForNullKey();
  int hash = hash(key.hashCode());
  for (Entry<k , V> e = table[indexFor(hash, table.length)]; e != null; e = e.next) {
   Object k;
   if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))
    return e.value;
  }
  return null;
 }

当你理解了hashmap的put的工作原理,理解get的工作原理就非常简单了。当你传递一个key从hashmap总获取value的时候:

  1. 对key进行null检查。如果key是null,table[0]这个位置的元素将被返回。

  2. key的hashcode()方法被调用,然后计算hash值。

  3. indexFor(hash,table.length)用来计算要获取的Entry对象在table数组中的精确的位置,使用刚才计算的hash值。

  4. 在获取了table数组的索引之后,会迭代链表,调用equals()方法检查key的相等性,如果equals()方法返回true,get方法返回Entry对象的value,否则,返回null。

要牢记以下关键点:

  • HashMap有一个叫做Entry的内部类,它用来存储key-value对。
  • 上面的Entry对象是存储在一个叫做table的Entry数组中。
  • table的索引在逻辑上叫做“桶”(bucket),它存储了链表的第一个元素。
  • key的hashcode()方法用来找到Entry对象所在的桶。
  • 如果两个key有相同的hash值,他们会被放在table数组的同一个桶里面。
  • key的equals()方法用来确保key的唯一性。
  • value对象的equals()和hashcode()方法根本一点用也没有。
原文链接: javacodegeeks 翻译: ImportNew.com - miracle1919
译文链接: http://www.importnew.com/10620.html
[ 转载请保留原文出处、译者和译文链接。]



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15 条评论

  1. Microdog 说道:

    > 原来它是以双向链表(LinkedList)的形式来存储的(逻辑上)。

    LinkedList应翻译为“链表”而不是双向链表(DoublyLinkedList)。
    :)

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  2. 阿折 说道:

    请问table的size大小如何确定 初始化的大小都是16吗 之后会根据数据量自增长吗

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    • miracle1919 说道:

      java的HashMap用无参的构造函数创建的HashMap对象的默认大小都是16.HashMap有一个负载因子的概念,默认是0.75,因此,默认情况下,HashMap只有16*0.75 = 12个桶可用,超过了会自动进行扩容。

      Thumb up 2 Thumb down 1

  3. sam 说道:

    参考那两个链接要翻墙吗?打不开

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  4. yan 说道:

    没怎么看懂 但知道entry的用法

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  5. icy 说道:

    就是一般的链式hashtable呗。。。

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  6. chenssy 说道:

    对于HashMap的原理这篇博文并没有真实的反应出来!对put、get方法,尤其是对hashCode和解决冲突的解释。请参考这篇博文:http://cmsblogs.com/?p=176。还有他的扩容过程?

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  7. 肖弗 说道:

    JDK8 以后的hashmap的数量超过一定之后,是以树的结构存储,

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  8. 测量师 说道:

    学到了

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  9. java我人生 说道:

    你好,即使放入的几个值hashcode都不想等,第一个put的Entry往往会作为第二个put的同一桶中的链表的最后节点,而且放多了,很多都是一个桶里2个节点作为一个链表存储的,我的是JDK7,可否解释下,谢谢

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  10. Young 说道:

    您好,你的博文很精彩,读后让我理解不少,受益匪浅,谢谢。
    但是,你里面有句话,在获取元素时,“ 对key进行null检查。如果key是null,table[0]这个位置的元素将被返回。”
    其实,准确来说,并非如此,如源码所示。
    private V getForNullKey() {
    for (Entry e = table[0]; e != null; e = e.next) {
    if (e.key == null)
    return e.value;
    }
    return null;
    }
    需要在table[0]中继续查找。谢谢!

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  11. wangsy 说道:

    上面的country对象的key-value的hash值是如何计算出来的。

    `

    Japan的Hash值是95,它的长度是奇数。

    India的Hash值是95,它的长度是奇数。

    Russia的Hash值是31,它的长度是偶数。

    France,它的长度是偶数。

    翻译成类似这样更好理解:
    因为字符串Japan的长度是5为奇数,所以HashCode = 95
    因为字符串India的长度是5为奇数,所以HashCode = 95
    因为字符串Russia的长度是6为奇数,所以HashCode = 31
    因为字符串France的长度是6为奇数,所以HashCode = 31

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