【JDK源码分析】浅谈HashMap的原理

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这篇文章给出了这样的一道面试题:

在 HashMap 中存放的一系列键值对,其中键为某个我们自定义的类型。放入 HashMap 后,我们在外部把某一个 key 的属性进行更改,然后我们再用这个 key 从 HashMap 里取出元素,这时候 HashMap 会返回什么?

文中已给出示例代码与答案,

key 更新后 hashCode 确实更新了,而且 HashMap 里面的对象就是我们原来的对象,最后的结果是null。

但是,关于HashMap的原理没有做出解释。

1. 特性

我们可以用任何类作为HashMap的key,但是对于这些类应该有什么限制条件呢?且看下面的代码:

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字段值Person类的value,结果却是null。对HashMap稍有了解的人看出来——Person类并没有override hashcode方法,导致其继承的是Object的hashcode(返回是其内存地址),两次new出来的Person对象并不equals——这也是为什么在工程项目中常用不变类(如String、Integer等)做为HashMap的key的原因。那么,HashMap是如何利用hashcode给key做索引的呢?

2. 原理

首先,我们来看《Thinking in Java》中一个简单HashMap的实现方案:

//: 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构造一个hash表来存储key,hash函数是取模运算Math.abs(key.hashCode()) % SIZE,采用链表法解决hash冲突;buckets的每一个槽位对应存放具有相同(hash后)index值的Map.Entry,如下图所示:


JDK的HashMap的实现原理与之相类似,其采用链地址的hash表table存储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是对key的hashcode进行hash后所得。当要get key对应的value时,则对key计算其index,然后在table中取出Map.Entry即可得到,具体参看代码:

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;
}

可见,hashcode直接影响HashMap的hash函数的效率——好的hashcode会极大减少hash冲突,提高查询性能。同时,这也解释开篇提出的两个问题:如果自定义的类做HashMap的key,则hashcode的计算应涵盖构造函数的所有字段,否则有可能得到null。

3. 参考资料

[1] Christophe, How does a HashMap work in JAVA.
[2] 梧桐, 一道面试题看 HashMap 的存储方式.

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