Java源碼---HashMap的底層實現

Hashmap是一種非常常用的、應用廣泛的數據類型，最近研究到相關的內容，就正好複習一下。網上關於hashmap的文章很多，但到底是自己學習的總結，就發出來跟大家一起分享，一起討論。

1、hashmap的數據結構

要知道hashmap是什麼，首先要搞清楚它的數據結構，在java編程語言中，最基本的結構就是兩種，一個是數組，另外一個是模擬指針（引用），所有的數據結構都可以用這兩個基本結構來構造的，hashmap也不例外。Hashmap實際上是一個數組和鏈表的結合體（在數據結構中，一般稱之爲“鏈表散列“），請看下圖（橫排表示數組，縱排表示數組元素【實際上是一個鏈表】）。

從圖中我們可以看到一個hashmap就是一個數組結構，當新建一個hashmap的時候，就會初始化一個數組。我們來看看java代碼：

    /**
     * Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the specified initial
     * capacity and load factor.
     *
     * @param  initialCapacity the initial capacity
     * @param  loadFactor      the load factor
     * @throws IllegalArgumentException if the initial capacity is negative
     *         or the load factor is nonpositive
     */
    public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
                                               initialCapacity);
        if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
            initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
        if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
            throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
                                               loadFactor);

        this.loadFactor = loadFactor;
        threshold = initialCapacity;
        init();
    

上面的Entry就是數組中的元素，它持有一個指向下一個元素的引用，這就構成了鏈表。
當我們往hashmap中put元素的時候，先根據key的hash值得到這個元素在數組中的位置（即下標），然後就可以把這個元素放到對應的位置中了。如果這個元素所在的位子上已經存放有其他元素了，那麼在同一個位子上的元素將以鏈表的形式存放，新加入的放在鏈頭，最先加入的放在鏈尾。從hashmap中get元素時，首先計算key的hashcode，找到數組中對應位置的某一元素，然後通過key的equals方法在對應位置的鏈表中找到需要的元素。從這裏我們可以想象得到，如果每個位置上的鏈表只有一個元素，那麼hashmap的get效率將是最高的，但是理想總是美好的，現實總是有困難需要我們去克服，哈哈~

2、hash算法

我們可以看到在hashmap中要找到某個元素，需要根據key的hash值來求得對應數組中的位置。如何計算這個位置就是hash算法。前面說過hashmap的數據結構是數組和鏈表的結合，所以我們當然希望這個hashmap裏面的元素位置儘量的分佈均勻些，儘量使得每個位置上的元素數量只有一個，那麼當我們用hash算法求得這個位置的時候，馬上就可以知道對應位置的元素就是我們要的，而不用再去遍歷鏈表。
所以我們首先想到的就是把hashcode對數組長度取模運算，這樣一來，元素的分佈相對來說是比較均勻的。但是，“模”運算的消耗還是比較大的，能不能找一種更快速，消耗更小的方式那？java中時這樣做的：

    final int hash(Object k) {
        int h = hashSeed;
        if (0 != h && k instanceof String) {
            return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);
        }
        h ^= k.hashCode();
        // This function ensures that hashCodes that differ only by
        // constant multiples at each bit position have a bounded
        // number of collisions (approximately 8 at default load factor).
        h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
        return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
    }

    static int indexFor(int h, int length) {
        // assert Integer.bitCount(length) == 1 : "length must be a non-zero power of 2";
        return h & (length-1);
    }

首先算得key得hashcode值，然後跟數組的長度-1做一次“與”運算（&）。看上去很簡單，其實比較有玄機。比如數組的長度是2的4次方，那麼hashcode就會和2的4次方-1做“與”運算。很多人都有這個疑問，爲什麼hashmap的數組初始化大小都是2的次方大小時，hashmap的效率最高，我以2的4次方舉例，來解釋一下爲什麼數組大小爲2的冪時hashmap訪問的性能最高。
 看下圖，左邊兩組是數組長度爲16（2的4次方），右邊兩組是數組長度爲15。兩組的hashcode均爲8和9，但是很明顯，當它們和1110“與”的時候，產生了相同的結果，也就是說它們會定位到數組中的同一個位置上去，這就產生了碰撞，8和9會被放到同一個鏈表上，那麼查詢的時候就需要遍歷這個鏈表，得到8或者9，這樣就降低了查詢的效率。同時，我們也可以發現，當數組長度爲15的時候，hashcode的值會與14（1110）進行“與”，那麼最後一位永遠是0，而0001，0011，0101，1001，1011，0111，1101這幾個位置永遠都不能存放元素了，空間浪費相當大，更糟的是這種情況中，數組可以使用的位置比數組長度小了很多，這意味着進一步增加了碰撞的機率，減慢了查詢的效率！

所以說，當數組長度爲2的n次冪的時候，不同的key算得得index相同的機率較小，那麼數據在數組上分佈就比較均勻，也就是說碰撞的機率小，相對的，查詢的時候就不用遍歷某個位置上的鏈表，這樣查詢效率也就較高了。
說到這裏，我們再回頭看一下hashmap中默認的數組大小是多少，查看源代碼可以得知是16，爲什麼是16，而不是15，也不是20呢，看到上面annegu的解釋之後我們就清楚了吧，顯然是因爲16是2的整數次冪的原因，在小數據量的情況下16比15和20更能減少key之間的碰撞，而加快查詢的效率。
所以，在存儲大容量數據的時候，最好預先指定hashmap的size爲2的整數次冪次方。就算不指定的話，也會以大於且最接近指定值大小的2次冪來初始化的，代碼如下(HashMap的構造方法中)：

    public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        this(Math.max((int) (m.size() / DEFAULT_LOAD_FACTOR) + 1,
                      DEFAULT_INITIAL_CAPACITY), DEFAULT_LOAD_FACTOR);
        inflateTable(threshold);

        putAllForCreate(m);
    }

3、hashmap的resize

     當hashmap中的元素越來越多的時候，碰撞的機率也就越來越高（因爲數組的長度是固定的），所以爲了提高查詢的效率，就要對hashmap的數組進行擴容，數組擴容這個操作也會出現在ArrayList中（原來數組長度的一半），所以這是一個通用的操作，很多人對它的性能表示過懷疑，不過想想我們的“均攤”原理，就釋然了，而在hashmap數組擴容之後，最消耗性能的點就出現了：原數組中的數據必須重新計算其在新數組中的位置，並放進去，這就是resize。
     那麼hashmap什麼時候進行擴容呢？當hashmap中的元素個數超過數組大小*loadFactor時，就會進行數組擴容，loadFactor的默認值爲0.75，也就是說，默認情況下，數組大小爲16，那麼當hashmap中元素個數超過16*0.75=12的時候，就把數組的大小擴展爲2*16=32，即擴大一倍，然後重新計算每個元素在數組中的位置，而這是一個非常消耗性能的操作，所以如果我們已經預知hashmap中元素的個數，那麼預設元素的個數能夠有效的提高hashmap的性能。比如說，我們有1000個元素new HashMap(1000), 但是理論上來講new HashMap(1024)更合適，不過上面annegu已經說過，即使是1000，hashmap也自動會將其設置爲1024。 但是new HashMap(1024)還不是更合適的，因爲0.75*1000 < 1000, 也就是說爲了讓0.75 * size > 1000, 我們必須這樣new HashMap(2048)才最合適，既考慮了&的問題，也避免了resize的問題。

4、key的hashcode與equals方法改寫

在第一部分hashmap的數據結構中，annegu就寫了get方法的過程：首先計算key的hashcode，找到數組中對應位置的某一元素，然後通過key的equals方法在對應位置的鏈表中找到需要的元素。所以，hashcode與equals方法對於找到對應元素是兩個關鍵方法。

Hashmap的key可以是任何類型的對象，例如User這種對象，爲了保證兩個具有相同屬性的user的hashcode相同，我們就需要改寫hashcode方法，比方把hashcode值的計算與User對象的id關聯起來，那麼只要user對象擁有相同id，那麼他們的hashcode也能保持一致了，這樣就可以找到在hashmap數組中的位置了。如果這個位置上有多個元素，還需要用key的equals方法在對應位置的鏈表中找到需要的元素，所以只改寫了hashcode方法是不夠的，equals方法也是需要改寫滴~當然啦，按正常思維邏輯，equals方法一般都會根據實際的業務內容來定義，例如根據user對象的id來判斷兩個user是否相等。
在改寫equals方法的時候，需要滿足以下三點：
(1) 自反性：就是說a.equals(a)必須爲true。
(2) 對稱性：就是說a.equals(b)=true的話，b.equals(a)也必須爲true。
(3) 傳遞性：就是說a.equals(b)=true，並且b.equals(c)=true的話，a.equals(c)也必須爲true。
通過改寫key對象的equals和hashcode方法，我們可以將任意的業務對象作爲map的key(前提是你確實有這樣的需要)。

總結：
        本文主要描述了HashMap的結構，和hashmap中hash函數的實現，以及該實現的特性，同時描述了hashmap中resize帶來性能消耗的根本原因，以及將普通的域模型對象作爲key的基本要求。尤其是hash函數的實現，可以說是整個HashMap的精髓所在，只有真正理解了這個hash函數，纔可以說對HashMap有了一定的理解。

參考：http://zhangshixi.iteye.com/blog/672697