【Java源码分析】HashMap和HashSet源码分析 (JDK 17)

sleepyhermit
113 阅读5分钟

代码基于 JDK 17。

HashMap

HashMap 的特性

  1. 添加和查找值的效率很高，都是 O(1)O(1)，根据 hash 值可以快速定位
  2. 键值对没有顺序（因为 hash 值是随机的）
  3. 允许键或者值是null，线程不安全（如果需要线程安全，可以使用 Hashtable，但是 Hashtable 的键值不可以是 null）

Map 接口

int size();  // Map 中键值对的个数
boolean isEmpty(); // 是否为空
boolean containsKey(Object key); // 是否包含某个键
boolean containsValue(Object value); // 是否包含某个值
V get(Object key); // 根据键获取值，如果没有找到，返回 null
V put(K key, V value); // 保存键值对，如果 key 已经存在，覆盖原来的值，并把这个值返回
V remove(Object key); // 根据键删除键值对，返回 key 原来的值，如果不存在，返回 null
void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m); // 保存 m 中所有键值对到当前 map
void clear(); // 清空 Map 中的键值对

Set<K> keySet(); // 获取 Map 中 键的集合
Collection<V> values(); // 获取 map 中所有值的集合
Set<Map.Entry<K, V>> entrySet(); // 获取 map 中所有键值对

interface Entry<K, V> { // 表示键值对的接口
    K getKey(); // 键值对的键
    V getValue(); // 键值对的值
    V setValue(V value);
    boolean equals(Object o);
    int hashCode();
}

Java 8 增加了方法，getOrDefault，forEach， replaceAll， putIfAbsent， remove(Object key, Object value)， replace， computeIfAbsent， computeIfPresent， compute， merge等。Java 9 增加了多个重载的 of 方法，Java 10 增加了一个 copyOf 方法，可以根据一个或多个键值对构建不变的 Map。

注：keySet()，values() 和 entrySet() 返回的都是视图，因此在返回值上修改会修改 Map 本身。

实现原理

HashMap是 Map 的实现类，因此也沿用了 Map 的特性。有键和值的概念，一个键映射到一个值，按照键存储和访问值。键不能重复，如果给同一个键重复设置值，会覆盖键原来映射的值。

HashMap 使用了 Hash（哈希）。使用的是链地址法解决哈希冲突问题（哈希冲突的解决方式见附录）。Java 8 对 HashMap 进行了优化，在哈希冲突比较严重的情况下 ，即大量元素映射到同一个链表（链表中至少8个元素），将该链表转化为红黑树。

一、HashMap 内部组成

transient Node<K,V>[] table;
transient int size;
int threshold;
final float loadFactor;
transient int modCount;

table 是一个 Node（一个内部类，如下所示，JDK 7以前是 Entry类型）类型的数组，称为哈希表或者哈希桶，是实际用来存放键值对的地方。table 中每个元素指向一个单向链表（或者），每个节点表示一个键值对。 image.png

key 和 value 分别表示键和值，next 表示下一个节点，hash 是 key 的 hash 值。

size 是 Map 中实际存储的键值对的个数。threshold 指扩容的阈值，根据负载因子 loadFactor 计算。

modCount 是用来记录结构化的修改的次数（如键值对数量变化），方便在遍历 Map 时（迭代）检测是否有结构性变化。

二、初始化和扩容

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)

初始化 HashMap 时，会对 loadFactor 和 initalCapacity 进行赋值，如果没有指定值，就会使用默认值。initialCapacity 指初始容量，默认为16，最大为 2302^{30}；loadFactor 是负载系数，默认为0.75。 在添加第一个元素时，才会 对 Map 分配空间。

三、put() 保存键值对（添加 / 修改）

基本步骤如下

  1. 计算键的哈希值
  2. 根据哈希值得到保存的位置（ (table.length−1) & hash(table.length - 1)\space\&\space hash）
  3. 查到对应位置的链表尾或者更新已有值
  4. 如果需要，扩展 table 大小

image.png

1. 计算 key 的 hash 值

image.png

如果 key 为 null，返回 0，否则对 key 的 hashCode 进行高低位异或运算并返回

2. 添加 / 修改键值对

image.png

判断键是否存在。先比较 hash 值，hash 值相同时，再用 equals 方法进行比较。（因为 hash 是整数，性能一般比 equals 高。如果 hash 不同，就无需 equals 了。）

p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))

四、get() 查找方法

image.png image.png

调用 getNode() 获取对应节点，如果不存在，直接返回 null，存在的话，获取值。

containsKey() 逻辑类似

image.png

containsValue() 遍历table中的链表的每个节点 image.png

五、remove() 删除键值对

image.png 逻辑和 get() 类似，

  1. 计算键的哈希值
  2. 根据哈希值得到保存的位置（ (table.length−1) & hash(table.length - 1)\space\&\space hash）
  3. 如果查找到该点
    1. 如果是树节点，直接在红黑树中删除该节点
    2. 如果是待删节点是头节点，把头节点变成 next
    3. 如果是链表中的点，那么跳过这个点（删除该节点） image.png

HashSet

HashSet 是 Set 的实现类，因此具有 Set 的特性。Set 是用来存储没有重复的元素。如果使用HashSet存储自定义类，需要重写 hashCode 和 equals 方法。

HashSet 的应用场景

  1. 需要对元素进行排重，且对元素没有顺序要求
  2. 保存特殊值
  3. 集合运算

Set 接口

扩展了 Collection。Java 9 增加了多个重载的 of 方法，Java 10 增加了一个 copyOf 方法，可以根据一个或多个键值对构建不变的 Set。

实现原理

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

HashSet 内部实际是 HashMap。HashSet中的值相当于键，值都是相同的固定值 PRESENT。

添加，就是调用put方法，如果map中不含这个键，则 put 返回 null。

public boolean add(E e) {
    return map.put(e, PRESENT)==null;
}

查找是否包含元素

public boolean contains(Object o) {
    return map.containsKey(o);
}

删除，返回值为 PRESENT 表示原来有对应的键，并且删除成功。

public boolean remove(Object o) {
    return map.remove(o)==PRESENT;
}

迭代器，就是返回 map 的 keySet() 迭代器。

public Iterator<E> iterator() {
    return map.keySet().iterator();
}

附录

哈希冲突

解决哈希冲突的几种方法：

  1. 开放定址法 如果发生哈希冲突，寻找一个新的空闲位置放置元素

    1. 线性探测法 如果发生冲突，就往后面依次寻找，直到找到空闲位置放置元素
    2. 平方探测法 如果发生冲突，就往前后面分别寻找

  2. 再哈希法 同时构造多个哈希函数，如果发生哈希冲突，就是用其他哈希函数计算地址

  3. 链地址法 将所有哈希地址相同的元素都放在同一个链表中

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