java基礎中HashMap的原理詳解

HashMap的數據結構：

• 首先，HashMap中數據的存儲是由數組與鏈表一起實現的。
• 數組是在內存中開闢一段連續的空間，因此，只要知道了數組首個元素的地址，在數組中尋址就會非常容易，其時間複雜度爲O(1)。但是當要插入或刪除數據時，時間複雜度就會變爲O(n)。
• 鏈表是內存中一系列離散的空間，其插入和刪除操作的內存複雜度爲O(1)，但是尋址操作的複雜度卻是O(n)。那有沒有一種方法可以結合兩者的優點，即尋址，插入刪除快呢？這個方法就是HashMap。
• 我們看看HashMap的拉鍊式實現方法。如下圖
  
• Entry是一個static class，其中包含了key和value，也就是鍵值對，另外還包含了一個next的Entry指針。可以看出：Entry就是數組中的元素，每個Entry其實就是一個key-value對，它特有一個指向下一個元素的引用，這就構成了鏈表。

1.HashMap中定義了一個Entry類的數組table

• 其中table數組就是buckets（桶），其中數組和鏈表的數據區保存的就是一個Entry對象，Entry對象中保存的就是HashMap中的鍵值對（key-value）

2.HashMap中兩個重要的屬性：capacity（容量）和load factor（加載因子）

• capacity爲buckets的容量，load factor是衡量buckets填滿程度的比例。如果對迭代性能要求很高的話不要把capacity設置過大，也不要把load factor設置過小。當buckets（桶）填充的數組（即hashmap中元素的個數）大於capacity*load factor時就要把buckets擴充爲原來的兩倍。

3.put函數（存儲）的實現

• 先根據key的hashcode()計算出hash值，並用hash值計算出放在數組中的哪個位置
• 判斷該位置是否爲空，若爲空，則直接調用addEntry()方法將元素加入
• 若該位置不爲空（產生數據衝突），將這個位置上的元素統一向這個位置所連的鏈表後推一格，然後將要加入的元素放在鏈表頭部（頭插法）
• 如果數據衝突導致鏈表過長，就把鏈表轉換成紅黑樹
• 如果新添加對象中的key值與之前添加的Entry對象通過equals比較返回true時，新添加Entry的value將覆蓋集合中原有Entry的value，但key不會覆蓋。（保證key的唯一性，不能重複）
• 如果buckets滿了（超過capacity*load factor），就要resize（在resize的過程，簡單的說就是把buckets擴充爲2倍，之後重新計算數組index，把節點再放到新的buckets中）

4.get函數（獲取）的實現

• 首先計算key的hashcode，找到數組中對應位置的某一元素
• 如果有衝突，通過key的equals方法在對應位置的鏈表中找到需要的元素
  • 若爲樹，則在樹中通過key.equals()去查找，O(logn)
  • 若爲鏈表，則在鏈表中通過key.equals()去查找，O(n)
• 在java1.8之前的是實現中是用鏈表解決衝突的，在產生碰撞的情況下，進行get時，兩步的時間複雜度是O(1)+O(n)。因此，當碰撞很厲害的時候n很大，O(n)的速度顯然是影響速度的。
• 因此在java1.8中，利用紅黑樹替換鏈表，這樣複雜度就變成了O(1)+O(logn)了，這樣在n很大的時候，能夠比較理想的解決這個問題。

5.案例

import java.util.Collection;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.Set;

public class 測試HashMap {
    public static void main(String[] args) {
        test1();
    }

    public static void test1(){
        HashMap<String, String> map = new HashMap<>();
        map.put("CN", "中華人民共和國");
        map.put("US", "美利堅合衆國");
        map.put("RU", "俄羅斯");
        map.put("FR", "法蘭西共和國");
        map.put("JP", "日本");
        map.put("CN", "中國");//key相同，對前面覆蓋
        map.put("aa","俄羅斯");
        map.put(null, null);

        //1.便利所有的key
        Set<String> set1 = map.keySet();
        for (String i : set1){
            System.out.println(i);
        }
        System.out.println("---------------");
        //2.遍歷所有的values
        Collection<String> values = map.values();
        for (String a : values){
            System.out.println(a);
        }
        System.out.println("---------------");

        //3.遍歷所有的key-value
        /*
            entrySet返回了一個set集合，set集合中放了Entry類型的對象
            Entry中放了key-value
         */
        Set<Map.Entry<String, String>> set = map.entrySet();
        for (Map.Entry<String, String> e : set){
            System.out.println(e.getKey()+"\t\t"+e.getValue());
        }
    }
}

• 輸出爲：

aa
null
RU
JP
CN
FR
US
---------------
俄羅斯
null
俄羅斯
日本
中國
法蘭西共和國
美利堅合衆國
---------------
aa		俄羅斯
null		null
RU		俄羅斯
JP		日本
CN		中國
FR		法蘭西共和國
US		美利堅合衆國

• 一般使用第三種遍歷方法

參考資料：

• Java HashMap工作原理及實現
• Java中HashMap原理分析
• 關於Java集合的小抄