Java中map集合系列原理剖析

看了下JAVA里面有HashMap、Hashtable、HashSet三种hash集合的实现源码，这里总结下，理解错误的地方还望指正

HashMap和Hashtable的区别

HashSet和HashMap、Hashtable的区别

HashMap和Hashtable的实现原理

HashMap的简化实现MyHashMap

HashMap和Hashtable的区别

  1. 两者最主要的区别在于Hashtable是线程安全，而HashMap则非线程安全
    Hashtable的实现方法里面都添加了synchronized关键字来确保线程同步，因此相对而言HashMap性能会高一些，我们平时使用时若无特殊需求建议使用HashMap，在多线程环境下若使用HashMap需要使用Collections.synchronizedMap()方法来获取一个线程安全的集合（Collections.synchronizedMap()实现原理是Collections定义了一个SynchronizedMap的内部类，这个类实现了Map接口，在调用方法时使用synchronized来保证线程同步,当然了实际上操作的还是我们传入的HashMap实例，简单的说就是Collections.synchronizedMap()方法帮我们在操作HashMap时自动添加了synchronized来实现线程同步，类似的其它Collections.synchronizedXX方法也是类似原理）
  2. HashMap可以使用null作为key，而Hashtable则不允许null作为key
    虽说HashMap支持null值作为key，不过建议还是尽量避免这样使用，因为一旦不小心使用了，若因此引发一些问题，排查起来很是费事
    HashMap以null作为key时，总是存储在table数组的第一个节点上
  3. HashMap是对Map接口的实现，HashTable实现了Map接口和Dictionary抽象类
  4. HashMap的初始容量为16，Hashtable初始容量为11，两者的填充因子默认都是0.75
    HashMap扩容时是当前容量翻倍即:capacity*2，Hashtable扩容时是容量翻倍+1即:capacity*2+1
  5. 两者计算hash的方法不同
    Hashtable计算hash是直接使用key的hashcode对table数组的长度直接进行取模

    int hash = key.hashCode();
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;

    HashMap计算hash对key的hashcode进行了二次hash，以获得更好的散列值，然后对table数组长度取摸

    static int hash(int h) {
        // 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) {
        return h & (length-1);
    }

  6. HashMap和Hashtable的底层实现都是数组+链表结构实现

HashSet和HashMap、Hashtable的区别

除开HashMap和Hashtable外，还有一个hash集合HashSet，有所区别的是HashSet不是key value结构，仅仅是存储不重复的元素，相当于简化版的HashMap，只是包含HashMap中的key而已

通过查看源码也证实了这一点，HashSet内部就是使用HashMap实现，只不过HashSet里面的HashMap所有的value都是同一个Object而已，因此HashSet也是非线程安全的，至于HashSet和Hashtable的区别，HashSet就是个简化的HashMap的，所以你懂的
下面是HashSet几个主要方法的实现

  private transient HashMap<E,Object> map;  private static final Object PRESENT = new Object();

  public HashSet() {
    map = new HashMap<E,Object>();
    }
 public boolean contains(Object o) {
    return map.containsKey(o);
    }
 public boolean add(E e) {
    return map.put(e, PRESENT)==null;
    }
 public boolean add(E e) {
    return map.put(e, PRESENT)==null;
    }
 public boolean remove(Object o) {
    return map.remove(o)==PRESENT;
    }

 public void clear() {
    map.clear();
    }

HashMap和Hashtable的实现原理

HashMap和Hashtable的底层实现都是数组+链表结构实现的，这点上完全一致

添加、删除、获取元素时都是先计算hash，根据hash和table.length计算index也就是table数组的下标，然后进行相应操作，下面以HashMap为例说明下它的简单实现

  /**
     * HashMap的默认初始容量 必须为2的n次幂
     */
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;

    /**
     * HashMap的最大容量，可以认为是int的最大值
     */
    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

    /**
     * 默认的加载因子
     */
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

    /**
     * HashMap用来存储数据的数组
     */
    transient Entry[] table;

  • HashMap的创建
    HashMap默认初始化时会创建一个默认容量为16的Entry数组，默认加载因子为0.75，同时设置临界值为16*0.75

        /**
     * Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the default initial capacity
     * (16) and the default load factor (0.75).
     */
    public HashMap() {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
        threshold = (int)(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);
        table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
        init();
    }

  • put方法
    HashMap会对null值key进行特殊处理，总是放到table[0]位置
    put过程是先计算hash然后通过hash与table.length取摸计算index值，然后将key放到table[index]位置，当table[index]已存在其它元素时，会在table[index]位置形成一个链表，将新添加的元素放在table[index]，原来的元素通过Entry的next进行链接，这样以链表形式解决hash冲突问题，当元素数量达到临界值(capactiy*factor)时，则进行扩容，是table数组长度变为table.length*2
  •  public V put(K key, V value) {
        if (key == null)
            return putForNullKey(value); //处理null值
        int hash = hash(key.hashCode());//计算hash
        int i = indexFor(hash, table.length);//计算在数组中的存储位置
    //遍历table[i]位置的链表，查找相同的key，若找到则使用新的value替换掉原来的oldValue并返回oldValue
        for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
            Object k;
            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;
            }
        }
    //若没有在table[i]位置找到相同的key，则添加key到table[i]位置，新的元素总是在table[i]位置的第一个元素，原来的元素后移
        modCount++;
        addEntry(hash, key, value, i);
        return null;
    }

    void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    //添加key到table[bucketIndex]位置，新的元素总是在table[bucketIndex]的第一个元素，原来的元素后移
    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
        table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
    //判断元素个数是否达到了临界值，若已达到临界值则扩容，table长度翻倍
        if (size++ >= threshold)
            resize(2 * table.length);
    }

  • get方法
    同样当key为null时会进行特殊处理，在table[0]的链表上查找key为null的元素
    get的过程是先计算hash然后通过hash与table.length取摸计算index值，然后遍历table[index]上的链表，直到找到key，然后返回 

    public V get(Object key) {
        if (key == null)
            return getForNullKey();//处理null值
        int hash = hash(key.hashCode());//计算hash
    //在table[index]遍历查找key，若找到则返回value，找不到返回null
        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.equals(k)))
                return e.value;
        }
        return null;
    }

  • remove方法
    remove方法和put get类似，计算hash，计算index，然后遍历查找，将找到的元素从table[index]链表移除 

        public V remove(Object key) {
        Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);
        return (e == null ? null : e.value);
    }
    final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {
        int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());
        int i = indexFor(hash, table.length);
        Entry<K,V> prev = table[i];
        Entry<K,V> e = prev;

        while (e != null) {
            Entry<K,V> next = e.next;
            Object k;
            if (e.hash == hash &&
                ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
                modCount++;
                size--;
                if (prev == e)
                    table[i] = next;
                else
                    prev.next = next;
                e.recordRemoval(this);
                return e;
            }
            prev = e;
            e = next;
        }

        return e;
    }

  • resize方法
    resize方法在hashmap中并没有公开，这个方法实现了非常重要的hashmap扩容，具体过程为：先创建一个容量为table.length*2的新table，修改临界值，然后把table里面元素计算hash值并使用hash与table.length*2重新计算index放入到新的table里面
    这里需要注意下是用每个元素的hash全部重新计算index，而不是简单的把原table对应index位置元素简单的移动到新table对应位置 

    void resize(int newCapacity) {
        Entry[] oldTable = table;
        int oldCapacity = oldTable.length;
        if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return;
        }

        Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
        transfer(newTable);
        table = newTable;
        threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
    }

    void transfer(Entry[] newTable) {
        Entry[] src = table;
        int newCapacity = newTable.length;
        for (int j = 0; j < src.length; j++) {
            Entry<K,V> e = src[j];
            if (e != null) {
                src[j] = null;
                do {
                    Entry<K,V> next = e.next;                    //重新对每个元素计算index
                    int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
                    e.next = newTable[i];
                    newTable[i] = e;
                    e = next;
                } while (e != null);
            }
        }
    }

  • clear()方法
    clear方法非常简单，就是遍历table然后把每个位置置为null，同时修改元素个数为0
    需要注意的是clear方法只会清楚里面的元素，并不会重置capactiy 

     public void clear() {
        modCount++;
        Entry[] tab = table;
        for (int i = 0; i < tab.length; i++)
            tab[i] = null;
        size = 0;
    }

  • containsKey和containsValue
    containsKey方法是先计算hash然后使用hash和table.length取摸得到index值，遍历table[index]元素查找是否包含key相同的值 

    public boolean containsKey(Object key) {
        return getEntry(key) != null;
    }
final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
        int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());
        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;
    }

    containsValue方法就比较粗暴了，就是直接遍历所有元素直到找到value，由此可见HashMap的containsValue方法本质上和普通数组和list的contains方法没什么区别，你别指望它会像containsKey那么高效

    public boolean containsValue(Object value) {
    if (value == null)
            return containsNullValue();

    Entry[] tab = table;
        for (int i = 0; i < tab.length ; i++)
            for (Entry e = tab[i] ; e != null ; e = e.next)
                if (value.equals(e.value))
                    return true;
    return false;
    }

  • hash和indexFor 
    indexFor中的h & (length-1)就相当于h%length，用于计算index也就是在table数组中的下标hash方法是对hashcode进行二次散列，以获得更好的散列值为了更好理解这里我们可以把这两个方法简化为 int index= key.hashCode()/table.length,以put中的方法为例可以这样替换
    int hash = hash(key.hashCode());//计算hash
int i = indexFor(hash, table.length);//计算在数组中的存储位置
//上面这两行可以这样简化
int i = key.key.hashCode()%table.length;
  •   static int hash(int h) {
        // 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) {
        return h & (length-1);
    }

HashMap的简化实现MyHashMap

为了加深理解，我个人实现了一个简化版本的HashMap，注意哦，仅仅是简化版的功能并不完善，仅供参考

package cn.lzrabbit.structure;

/**
 * Created by rabbit on 14-5-4.
 */
public class MyHashMap {

    //默认初始化大小 16
    private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;
    //默认负载因子 0.75
    private static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

    //临界值
    private int threshold;

    //元素个数
    private int size;

    //扩容次数
    private int resize;

    private HashEntry[] table;

    public MyHashMap() {
        table = new HashEntry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
        threshold = (int) (DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);
        size = 0;
    }

    private int index(Object key) {
        //根据key的hashcode和table长度取模计算key在table中的位置
        return key.hashCode() % table.length;
    }

    public void put(Object key, Object value) {
        //key为null时需要特殊处理，为简化实现忽略null值
        if (key == null) return;
        int index = index(key);

        //遍历index位置的entry，若找到重复key则更新对应entry的值，然后返回
        HashEntry entry = table[index];
        while (entry != null) {
            if (entry.getKey().hashCode() == key.hashCode() && (entry.getKey() == key || entry.getKey().equals(key))) {
                entry.setValue(value);
                return;
            }
            entry = entry.getNext();
        }
        //若index位置没有entry或者未找到重复的key，则将新key添加到table的index位置
        add(index, key, value);
    }

    private void add(int index, Object key, Object value) {
        //将新的entry放到table的index位置第一个，若原来有值则以链表形式存放
        HashEntry entry = new HashEntry(key, value, table[index]);
        table[index] = entry;
        //判断size是否达到临界值，若已达到则进行扩容，将table的capacicy翻倍
        if (size++ >= threshold) {
            resize(table.length * 2);
        }
    }

    private void resize(int capacity) {
        if (capacity <= table.length) return;

        HashEntry[] newTable = new HashEntry[capacity];
        //遍历原table，将每个entry都重新计算hash放入newTable中
        for (int i = 0; i < table.length; i++) {
            HashEntry old = table[i];
            while (old != null) {
                HashEntry next = old.getNext();
                int index = index(old.getKey());
                old.setNext(newTable[index]);
                newTable[index] = old;
                old = next;
            }
        }
        //用newTable替table
        table = newTable;
        //修改临界值
        threshold = (int) (table.length * DEFAULT_LOAD_FACTOR);
        resize++;
    }

    public Object get(Object key) {
        //这里简化处理，忽略null值
        if (key == null) return null;
        HashEntry entry = getEntry(key);
        return entry == null ? null : entry.getValue();
    }

    public HashEntry getEntry(Object key) {
        HashEntry entry = table[index(key)];
        while (entry != null) {
            if (entry.getKey().hashCode() == key.hashCode() && (entry.getKey() == key || entry.getKey().equals(key))) {
                return entry;
            }
            entry = entry.getNext();
        }
        return null;
    }

    public void remove(Object key) {
        if (key == null) return;
        int index = index(key);
        HashEntry pre = null;
        HashEntry entry = table[index];
        while (entry != null) {
            if (entry.getKey().hashCode() == key.hashCode() && (entry.getKey() == key || entry.getKey().equals(key))) {
                if (pre == null) table[index] = entry.getNext();
                else pre.setNext(entry.getNext());
                //如果成功找到并删除，修改size
                size--;
                return;
            }
            pre = entry;
            entry = entry.getNext();
        }
    }

    public boolean containsKey(Object key) {
        if (key == null) return false;
        return getEntry(key) != null;
    }

    public int size() {
        return this.size;
    }

    public void clear() {
        for (int i = 0; i < table.length; i++) {
            table[i] = null;
        }
        this.size = 0;
    }

    @Override
    public String toString() {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        sb.append(String.format("size:%s capacity:%s resize:%s\n\n", size, table.length, resize));
        for (HashEntry entry : table) {
            while (entry != null) {
                sb.append(entry.getKey() + ":" + entry.getValue() + "\n");
                entry = entry.getNext();
            }
        }
        return sb.toString();
    }
}

class HashEntry {
    private final Object key;
    private Object value;
    private HashEntry next;

    public HashEntry(Object key, Object value, HashEntry next) {
        this.key = key;
        this.value = value;
        this.next = next;
    }

    public Object getKey() {
        return key;
    }

    public Object getValue() {
        return value;
    }

    public void setValue(Object value) {
        this.value = value;
    }

    public HashEntry getNext() {
        return next;
    }

    public void setNext(HashEntry next) {
        this.next = next;
    }
}

MyHashMap

原文地址：https://www.cnblogs.com/xiongmozhou/p/10090719.html

时间： 2024-10-02 22:32:25

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Java 中的集合接口——List.Set.Map 什么叫集合:集合就是Java API所提供的一系列类的实例,可以用于动态存放多个对象.这跟我们学过的数组差不多,那为什么我们还要学集合,我们看看数组跟集合有什么区别: 数组:长度固定,遍历速度快 可以存储基本类型和引用类型: 集合:长度不固定,只能存储引用类型对象: 从数组跟集合的特点我们很明显的看出,数组有一定的局限性,如果我们需要不定期的往我们的数据中存储数据,数组就满足不了我们的要求. Java集合框架提供了一套性能优良.使用方便的接口和

Java中的集合框架-Map

前两篇<Java中的集合框架-Commection(一)>和<Java中的集合框架-Commection(二)>把集合框架中的Collection开发常用知识点作了一下记录,从本篇开始,对集合框架里的另外一部分Map作一下记录. 一,集合框架的Map接口 Map与Collection不同之处在于它是以键值对来存储数据: Map比较常用的实现类有四个:HashTable,HashMap,LinkedHashMap,TreeMap: Map的方法也可以分为四类,增删改查,大致如下: 新

java中的集合框架

由于数组具有属性单一,长度不可改变的缺点,于是在程序中我们使用集合来代替它. 集合中不可放入基本数据类型,基本数据类型都是通过自动拆包和自动装箱功能才能放入和取出集合. 分类:Collection接口和Map接口 Collection:存放单一值元素,又可分为list接口类型和set接口类型 list接口类型:存放元素是有序的可重复的,可通过循环来取出其中的元素,实现类ArrayList() set接口类型:hash值排列,存放元素是无序不可重复的,通过指针取出其中元素,实现类HashSet()