【JDK原始碼分析】淺談HashMap的原理
這篇文章給出了這樣的一道面試題:
在 HashMap 中存放的一系列鍵值對,其中鍵為某個我們自定義的型別。放入 HashMap 後,我們在外部把某一個 key 的屬性進行更改,然後我們再用這個 key 從 HashMap 裡取出元素,這時候 HashMap 會返回什麼?
文中已給出示例程式碼與答案,
key 更新後 hashCode 確實更新了,而且 HashMap 裡面的物件就是我們原來的物件,最後的結果是null。
但是,關於HashMap的原理沒有做出解釋。
1. 特性
我們可以用任何類作為HashMap的key,但是對於這些類應該有什麼限制條件呢?且看下面的程式碼:
public class Person { private String name; public Person(String name) { this.name = name; } } Map<Person, String> testMap = new HashMap<>(); testMap.put(new Person("hello"), "world"); testMap.get(new Person("hello")); // ---> null
本是想取出具有相等欄位值Person類的value,結果卻是null。對HashMap稍有了解的人看出來——Person類並沒有override hashcode方法,導致其繼承的是Object的hashcode(返回是其記憶體地址),兩次new出來的Person物件並不equals——這也是為什麼在工程專案中常用不變類(如String、Integer等)做為HashMap的key的原因。那麼,HashMap是如何利用hashcode給key做索引的呢?
2. 原理
首先,我們來看《Thinking in Java》中一個簡單HashMap的實現方案:
//: containers/SimpleHashMap.java // A demonstration hashed Map. import java.util.*; import net.mindview.util.*; public class SimpleHashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> { // Choose a prime number for the hash table size, to achieve a uniform distribution: static final int SIZE = 997; // You can't have a physical array of generics, but you can upcast to one: @SuppressWarnings("unchecked") LinkedList<MapEntry<K,V>>[] buckets = new LinkedList[SIZE]; public V put(K key, V value) { V oldValue = null; int index = Math.abs(key.hashCode()) % SIZE; if(buckets[index] == null) buckets[index] = new LinkedList<MapEntry<K,V>>(); LinkedList<MapEntry<K,V>> bucket = buckets[index]; MapEntry<K,V> pair = new MapEntry<K,V>(key, value); boolean found = false; ListIterator<MapEntry<K,V>> it = bucket.listIterator(); while(it.hasNext()) { MapEntry<K,V> iPair = it.next(); if(iPair.getKey().equals(key)) { oldValue = iPair.getValue(); it.set(pair); // Replace old with new found = true; break; } } if(!found) buckets[index].add(pair); return oldValue; } public V get(Object key) { int index = Math.abs(key.hashCode()) % SIZE; if(buckets[index] == null) return null; for(MapEntry<K,V> iPair : buckets[index]) if(iPair.getKey().equals(key)) return iPair.getValue(); return null; } public Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() { Set<Map.Entry<K,V>> set= new HashSet<Map.Entry<K,V>>(); for(LinkedList<MapEntry<K,V>> bucket : buckets) { if(bucket == null) continue; for(MapEntry<K,V> mpair : bucket) set.add(mpair); } return set; } public static void main(String[] args) { SimpleHashMap<String,String> m = new SimpleHashMap<String,String>(); m.putAll(Countries.capitals(25)); System.out.println(m); System.out.println(m.get("ERITREA")); System.out.println(m.entrySet()); } }
SimpleHashMap構造一個hash表來儲存key,hash函式是取模運算Math.abs(key.hashCode()) % SIZE
,採用連結串列法解決hash衝突;buckets的每一個槽位對應存放具有相同(hash後)index值的Map.Entry,如下圖所示:
JDK的HashMap的實現原理與之相類似,其採用鏈地址的hash表table
儲存Map.Entry:
/** * The table, resized as necessary. Length MUST Always be a power of two. */ transient Entry<K,V>[] table = (Entry<K,V>[]) EMPTY_TABLE; static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> { final K key; V value; Entry<K,V> next; int hash; … }
Map.Entry的index是對key的hashcode進行hash後所得。當要get key對應的value時,則對key計算其index,然後在table中取出Map.Entry即可得到,具體參看程式碼:
public V get(Object key) {
if (key == null)
return getForNullKey();
Entry<K,V> entry = getEntry(key);
return null == entry ? null : entry.getValue();
}
final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
if (size == 0) {
return null;
}
int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
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 != null && key.equals(k))))
return e;
}
return null;
}
可見,hashcode直接影響HashMap的hash函式的效率——好的hashcode會極大減少hash衝突,提高查詢效能。同時,這也解釋開篇提出的兩個問題:如果自定義的類做HashMap的key,則hashcode的計算應涵蓋建構函式的所有欄位,否則有可能得到null。
3. 參考資料
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