图解HashMap和HashSet的内部工作机制

HashMap 和 HashSet 内部是如何工作的?散列函数(hashing function)是什么?

HashMap 不仅是一个常用的数据结构,在面试中也是热门话题。

Q1. HashMap 如何存储数据?
A1. 以键/值对(key/value)形式存储。你可以使用键(key)来存、取值。

Q2. HashMap 查询时间的复杂度是怎样的?
A2. 是O(n) = O(k * n)。如果 hashCode() 方法能向下面讨论的那样把数据分散到桶(bucket)中,那么平均是O(1)。

Q3. HashMap 内部是如何存储数据的?
A3. HashMap 使用后台数组(backing array)作为桶,并使用链表(linked list)存储键/值对。

桶的后台数组:如下所示

hashCode() 返回 1, 45等

1)使用键(key)和值(value)将一个对象放入 map 中时,会隐式调用 hashCode() 方法,返回哈希值(hash code value),比如 123。两个不同的键能够返回一样的哈希值。良好的哈希算法(hashing algorithm)能够将数值分散开。在上面的例子中,我们假设 (“John”,01/01/1956) 的键和 (“Peter”, 01/01/1995) 的键返回相同的哈希值,都是 123

Java equals vs hashCode

2)当返回一个 hashCode,例如是 123,初始的 HashMap 容量为 10,它如何知道存储到后台数组(backing array)的哪个索引(index)呢?HashMap 内部会调用 hash(int ) 和 indexFor(int h, int length) 方法。这被称为哈希函数(hashing function)。
简要解释下这个函数:

hashCode() % capacity

123 % 10 = 3
456 % 10 = 6

这表示,“hashCode = 123”存储在备份数组的索引3上。
容量为 10 的情况下,你可能得到的数字在 09 之间。
一旦 HashMap 达到容量的 75%,也就是哈希因子(hash factor)默认值 0.75,后台数组(backing array)的容量就会加倍,发生重散列(rehashing)为新的 20 的容量重新分配桶。

hashCode() % capacity

123 % 20 = 3
456 % 20 = 16

上面重散列的取模方法有一个缺陷。如果 hashCode 是负数会怎样?负索引可不是你想要的。因此,一个改进的哈希公式会移出符号位,然后再用取模(即 %)运算符计算剩余部分。

(123  & 0x7FFFFFFF) % 20 = 3
(456 & 0x7FFFFFFF) % 20 = 16

这确保你得到的索引值为正数。如果你查看 Java 8 的 HashMap 源码,它的实现使用以下方法:

a). 通过只抽取重要的低位,来防止不良离散值(poorer hashes)。

static int hash(int h) {
     // This function ensures that hashCodes that differ only by
     // constant multiples at each bit position have a bounded
     // number of collisions (approximately 8 at default load factor).
     h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
     return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}

b). 根据哈希码hashCode)和容量capacity),来决定索引(index)。

static int indexFor(int h, int length) {
     return h & (length-1);
}

实际的名称值对(name value pairs)作为一个键/值对存储在 LinkedList 中。

如上图所示,键/值对以链表形式存储。两个不同的键可以产生一样的 hashCode,例如123,并存储在同一个 bucket 中,理解这点至关重要。例如,上面例子中的 “John, 01/01/1956” 和 “Peter, 01/01/1995“ 。你如何只检索 “John, 01/01/1956” 呢?此时你的 key 所属类的 equals() 方法会被调用。它遍历 bucket 为 “123” 的 LinkedList 中的每个条目,使用 equals() 方法找到并检索出键为 “John, 01/01/1956” 的条目。这就是在你的类中实现 hashCode()equals() 方法重要性的原因。如果你使用一个现有的包装类,如 Integer 或 String 作为键,它们已经实现了这两个方法。如果你使用自己写的类作为键,如 “John, 01/01/1956” 这样含有名字和出生日期属性的“MyKey”,你有责任正确地实现这些方法。

Q5. 为什么恰当地设置 HashMap 的初始容量(initial capacity)是最佳实践?
A5. 这样可以减少重散列的发生。

Q6. HashSet 内部如何存储数据?
A6. HashSet 内部使用 HashMap 。它将元素存储为键和值。(译者注:HashSet 把存储的值作为 key)

Q7. 为 Object 实现了一个糟糕的 hashcode() 会有什么影响?
A7. 不同的对象调用 hashCode() 方法应该返回不同的值。如果不同的对象返回相同的值,会导致更多的键/值对存储在同一个 bucket 中。这会降低 HashMap 和 HashSet 的性能

原文链接: Arulkumaran Kumaraswamipillai 翻译: ImportNew.com - 齐帜背单词吧
译文链接: http://www.importnew.com/21841.html
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