Java 中 HashMap 的工作機制

轉自http://www.oschina.net/question/82993_76564?from=20121104

現在很多的Java程序員都會把HashMap當作一個熱門話題，今天我也來說一說Hashmap。
我假設你對HashMap感興趣，另外我認爲你已經瞭解了HashMap的基礎，這裏我就不再贅述HashMap是個什麼東東，如果對於你來講HashMap還是一個新概念的話，你可以去看看官方的javadoc.

在繼續看下去之前，我推薦你看一看我前面的一篇文章： Java 中正確使用 hashCode 和 equals 方法

目錄：
1、一句話回答
2、什麼是哈希
3、關於Entry類的一點介紹
4、put()方法實際上做了什麼
5、get()方法內部工作機制
6、注意點

一句話回答
如果任何人讓我描述一下HashMap的工作機制的話，我就簡單的回答：“基於Hash的規則”。這句話非常簡單，但是要理解這句話之前，首先我們得了解什麼是哈希，不是麼？

什麼是哈希
哈希簡單的說就是對變量/對象的屬性應用某種算法後得到的一個唯一的串，用這個串來確定變量/對象的唯一性。一個正確的哈希函數必須遵守這個準則。

當哈希函數應用在相同的對象或者equal的對象的時候，每次執行都應該返回相同的值。換句話說，兩個相等的對象應該有相同的hashcode。

注：所有Java對象都從Object類繼承了一個默認的hashCode()方法。這個方法將對象在內存中的地址作爲整數返回，這是一個很好的hash實現，他確保了不同的對象擁有不同的hashcode。

關於Entry類的一點介紹
一個map的定義是：一個映射鍵（key）到值（value）的對象。非常簡單對吧。

所以，在HashMap中一定有一定的機制來存儲這些鍵值對。使得，HashMap有一個內部類Entry，看起來像這樣。

1

static class Entry<K,V> implementsMap.Entry<K,V>

2

{

3

        final K
key;

4

        V
value;

5

        Entry<K,V>
next;

6

        final int hash;

7

        ...//More
code goes here

8

}

當然，Entry類有屬性用來存儲鍵值對映射。key被final標記，除了key和value，我們還能看到兩個變量next和hash。接下來我們試着理解這些變量的含義。

put()方法實際上做了什麼
再進一步看put方法的實現之前，我們有必要看一看Entry實例在數組中的存儲，HashMap中是這樣定義的：

1

/**

2

     *
The table, resized as necessary. Length MUST Always be a power of two.

3

     */

4

    transient Entry[]
table;

現在再來看put方法的實現。

01

/**

02

*
Associates the specified value with the specified key in this map.

03

*
If the map previously contained a mapping for the key, the old

04

*
value is replaced.

05

*

06

*
@param key key with which the specified value is to be associated

07

*
@param value value to be associated with the specified key

08

*
@return the previous value associated with <tt>key</tt>, or

09

*&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<tt>null</tt> if there was no mapping for <tt>key</tt>.

10

*&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
(A <tt>null</tt> return can also indicate that the map

11

*&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
previously associated <tt>null</tt> with <tt>key</tt>.)

12

*/

13

public V
put(K key, V value) {

14

if (key
== null)

15

return putForNullKey(value);

16

int hash
= hash(key.hashCode());

17

int i
= indexFor(hash, table.length);

18

for (Entry<K,V>
e = table[i]; e != null;
e = e.next) {

19

Object
k;

20

if (e.hash
== hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {

21

V
oldValue = e.value;

22

e.value
= value;

23

e.recordAccess(this);

24

return oldValue;

25

}

26

}

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28

modCount++;

29

addEntry(hash,
key, value, i);

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return null;

31

}

讓我們一步一步的看
首先，檢查key是否爲null，如果key是null值被存在table[0]的位置，因爲null的hashcode始終爲0
接下來，通過key的hashCode()方法計算了這個key的hash值，這個hash值被用來計算存儲Entry對象的數組中的位置。JDK的設計者假設會有一些人可能寫出非常差的hashCode()方法，會出現一些非常大或者非常小的hash值。爲了解決這個問題，他們引入了另外一個hash函數，接受對象的hashCode()，並轉換到適合數組的容量大小。

接着是indexFor(hash,table,length)方法，這個方法計算了entry對象存儲的準確位置。

接下來就是主要的部分，我們都知道兩個不相等的對象可能擁有過相同的hashCode值，兩個不同的對象是怎麼存儲在相同的位置[叫做bucket]呢？
答案是LinkedList。如果你記得，Entry類有一個next變量，這個變量總是指向鏈中的下一個變量，這完全符合鏈表的特點。

所以，在發生碰撞的時候，entry對象會被以鏈表的形式存儲起來，當一個Entry對象需要被存儲的時候，hashmap檢查該位置是否已近有了一個entry對象，如果沒有就存在那裏，如果有了就檢查她的next屬性，如果是空，當前的entry對象就作爲已經存儲的entry對象的下一個節點，依次類推。

如果我們給已經存在的key存入另一個value會怎麼樣的？邏輯上，舊的值將被替換掉。在檢測了Entry對象的存儲位置後，hashmap將會遍歷那個位置的entry鏈表，對每一個entry調用equals方法，這個鏈表中的所有對象都具有相同的hashCode()而equals方法都不等。如果發現equals方法有相等的就執行替換。

在這種方式下HashMap就能保證key的唯一性。

get方法的工作機制
現在我們已經瞭解了HashMap中存儲鍵值對的機制。下一個問題是：怎樣從一個HashMap中查詢結果。
其實邏輯跟put是一樣的，如果傳入的key有匹配就將該位置的value返回，如果沒有就返回null.

01

/**

02

*
Returns the value to which the specified key is mapped,

03

*
or {@code null} if this map contains no mapping for the key.

04

*

05

*
<p>More formally, if this map contains a mapping from a key

06

*
{@code k} to a value {@code v} such that {@code (key==null ? k==null :

07

*
key.equals(k))}, then this method returns {@code v}; otherwise

08

*
it returns {@code null}.&nbsp; (There can be at most one such mapping.)

09

*

10

*
<p>A return value of {@code null} does not <i>necessarily</i>

11

*
indicate that the map contains no mapping for the key; it's also

12

*
possible that the map explicitly maps the key to {@code null}.

13

*
The {@link #containsKey containsKey} operation may be used to

14

*
distinguish these two cases.

15

*

16

*
@see #put(Object, Object)

17

*/

18

public V
get(Object key) {

19

if (key
== null)

20

return getForNullKey();

21

int hash
= hash(key.hashCode());

22

for (Entry<K,V>
e = table[indexFor(hash, table.length)];

23

e
!= null;

24

e
= e.next) {

25

Object
k;

26

if (e.hash
== hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))

27

return e.value;

28

}

29

return null;

30

}