java基础中HashMap的原理详解

HashMap的数据结构：

• 首先，HashMap中数据的存储是由数组与链表一起实现的。
• 数组是在内存中开辟一段连续的空间，因此，只要知道了数组首个元素的地址，在数组中寻址就会非常容易，其时间复杂度为O(1)。但是当要插入或删除数据时，时间复杂度就会变为O(n)。
• 链表是内存中一系列离散的空间，其插入和删除操作的内存复杂度为O(1)，但是寻址操作的复杂度却是O(n)。那有没有一种方法可以结合两者的优点，即寻址，插入删除快呢？这个方法就是HashMap。
• 我们看看HashMap的拉链式实现方法。如下图
  
• Entry是一个static class，其中包含了key和value，也就是键值对，另外还包含了一个next的Entry指针。可以看出：Entry就是数组中的元素，每个Entry其实就是一个key-value对，它特有一个指向下一个元素的引用，这就构成了链表。

1.HashMap中定义了一个Entry类的数组table

• 其中table数组就是buckets（桶），其中数组和链表的数据区保存的就是一个Entry对象，Entry对象中保存的就是HashMap中的键值对（key-value）

2.HashMap中两个重要的属性：capacity（容量）和load factor（加载因子）

• capacity为buckets的容量，load factor是衡量buckets填满程度的比例。如果对迭代性能要求很高的话不要把capacity设置过大，也不要把load factor设置过小。当buckets（桶）填充的数组（即hashmap中元素的个数）大于capacity*load factor时就要把buckets扩充为原来的两倍。

3.put函数（存储）的实现

• 先根据key的hashcode()计算出hash值，并用hash值计算出放在数组中的哪个位置
• 判断该位置是否为空，若为空，则直接调用addEntry()方法将元素加入
• 若该位置不为空（产生数据冲突），将这个位置上的元素统一向这个位置所连的链表后推一格，然后将要加入的元素放在链表头部（头插法）
• 如果数据冲突导致链表过长，就把链表转换成红黑树
• 如果新添加对象中的key值与之前添加的Entry对象通过equals比较返回true时，新添加Entry的value将覆盖集合中原有Entry的value，但key不会覆盖。（保证key的唯一性，不能重复）
• 如果buckets满了（超过capacity*load factor），就要resize（在resize的过程，简单的说就是把buckets扩充为2倍，之后重新计算数组index，把节点再放到新的buckets中）

4.get函数（获取）的实现

• 首先计算key的hashcode，找到数组中对应位置的某一元素
• 如果有冲突，通过key的equals方法在对应位置的链表中找到需要的元素
  • 若为树，则在树中通过key.equals()去查找，O(logn)
  • 若为链表，则在链表中通过key.equals()去查找，O(n)
• 在java1.8之前的是实现中是用链表解决冲突的，在产生碰撞的情况下，进行get时，两步的时间复杂度是O(1)+O(n)。因此，当碰撞很厉害的时候n很大，O(n)的速度显然是影响速度的。
• 因此在java1.8中，利用红黑树替换链表，这样复杂度就变成了O(1)+O(logn)了，这样在n很大的时候，能够比较理想的解决这个问题。

5.案例

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

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

    public static void test1(){
        HashMap<String, String> map = new HashMap<>();
        map.put("CN", "中华人民共和国");
        map.put("US", "美利坚合众国");
        map.put("RU", "俄罗斯");
        map.put("FR", "法兰西共和国");
        map.put("JP", "日本");
        map.put("CN", "中国");//key相同，对前面覆盖
        map.put("aa","俄罗斯");
        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.遍历所有的values
        Collection<String> values = map.values();
        for (String a : values){
            System.out.println(a);
        }
        System.out.println("---------------");

        //3.遍历所有的key-value
        /*
            entrySet返回了一个set集合，set集合中放了Entry类型的对象
            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());
        }
    }
}

• 输出为：

aa
null
RU
JP
CN
FR
US
---------------
俄罗斯
null
俄罗斯
日本
中国
法兰西共和国
美利坚合众国
---------------
aa		俄罗斯
null		null
RU		俄罗斯
JP		日本
CN		中国
FR		法兰西共和国
US		美利坚合众国

• 一般使用第三种遍历方法

参考资料：

• Java HashMap工作原理及实现
• Java中HashMap原理分析
• 关于Java集合的小抄