在 Java 开发中，HashMap 是我们经常使用的数据结构之一。然而，很多开发者可能没有意识到合理设置 HashMap 的初始值大小对于性能的重要性。在这篇博客中，我们将深入探讨如何做出明智的选择，以优化 HashMap 的性能。
一、HashMap 的工作原理
在深入探讨初始值大小之前，让我们先简要回顾一下 HashMap 的工作原理。HashMap 基于哈希表实现，通过计算键的哈希值来确定元素在内部数组中的存储位置。当发生哈希冲突时，会采用链表或红黑树的方式来解决冲突。
数组是一块连续的内存区域，一经初始化，其大小便无法更改。而数组作为 HashMap 的底层数据结构，当数据量超出数组长度，若仍要向其中存储数据，就需对数组进行“扩容”操作。所谓扩容，即重新开辟一片更长的内存空间作为当前 HashMap 的底层数据结构，并将原有数据复制至新空间。
由此可见，HashMap 的扩容会给程序造成性能上的损失。
二、初始值大小的影响
HashMap 的默认初始容量为 16，负载因子为 0.75。这意味着当 HashMap 中的元素数量达到 16 * 0.75 = 12 时，它会自动进行扩容操作。扩容是一个相对昂贵的操作，因为它需要重新计算所有元素的哈希值，并将它们重新分配到新的更大的内部数组中。
如果我们在使用 HashMap 时能够提前估计元素的数量，并合理设置初始值大小，就可以减少扩容操作的次数，从而提高性能。
/**
* 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; // all other fields defaulted
}
从上面的注释中可以看出，在调用无参的构造方法时，HashMap 默认的容量是 16，且 loadFactor 的值为 0.75。
三、如何合理设置初始值大小
- 估计元素数量
首先，我们需要对要存储在 HashMap 中的元素数量有一个大致的估计。如果估计不准确，也可以稍微高估一些，以避免频繁扩容。 - 计算合适的初始容量
假设我们估计要存储的元素数量为 n，为了减少扩容次数，我们可以将初始容量设置为大于 n / 0.75 的最近的 2 的幂次方数。例如，如果预计存储 100 个元素，那么合适的初始容量可以计算为：
intcapacity= (int) Math.ceil(100 / 0.75);
capacity = Integer.highestOneBit(capacity - 1) << 1;
在上述代码中，Math.ceil 用于向上取整，Integer.highestOneBit 用于获取最高位为 1 的位置，然后左移一位得到 2 的幂次方数。
四、示例代码
- 如何设置初始值大小
import java.util.HashMap;
public class HashMapCapacityExample {
public static void main(String[] args) {
// 估计要存储 200 个元素
int estimatedElementCount = 200;
HashMap<String, Integer> myHashMap = new HashMap<>(calculateInitialCapacity(estimatedElementCount));
// 向 HashMap 中添加元素
//...
}
public static int calculateInitialCapacity(int estimatedElementCount) {
int capacity = (int) Math.ceil(estimatedElementCount / 0.75);
capacity = Integer.highestOneBit(capacity - 1) << 1;
return capacity;
}
}
- HashMap在扩容中实际情况
import java.lang.reflect.Field;
import java.lang.reflect.Method;
import java.util.HashMap;
public class HashMapCapacityExample {
public static void main(String[] args) throws Exception {
HashMap<Integer, Integer> hashMap = new HashMap<>();
Class<?> mapType = hashMap.getClass();
//尝试从获取到的类对象中获取名为 threshold 的字段。getDeclaredField 方法可以获取到类中声明的字段，包括私有字段。
Field threshold = mapType.getDeclaredField("threshold");
//由于 threshold 字段可能是私有的，通过设置其可访问性为 true ，以便后续能够对其进行操作。
threshold.setAccessible(true);
//尝试从类对象中获取名为 capacity 的方法。
Method capacity = mapType.getDeclaredMethod("capacity");
//将获取到的 capacity 方法设置为可访问，即使它可能是私有的，以便后续能够调用该方法。
capacity.setAccessible(true);
//打印刚初始化的HashMap的容量、阈值和元素数量
System.out.println("容量："+capacity.invoke(hashMap)+" 阈值："+threshold.get(hashMap)+" 元素数量："+hashMap.size());
for (int i = 0;i<17;i++){
hashMap.put(i,i);
//动态监测HashMap的容量、阈值和元素数量
System.out.println("容量："+capacity.invoke(hashMap)+" 阈值："+threshold.get(hashMap)+" 元素数量："+hashMap.size());
}
}
}
运行结果：
容量：16 阈值：0 元素数量：0
容量：16 阈值：12 元素数量：1
容量：16 阈值：12 元素数量：2
容量：16 阈值：12 元素数量：3
容量：16 阈值：12 元素数量：4
容量：16 阈值：12 元素数量：5
容量：16 阈值：12 元素数量：6
容量：16 阈值：12 元素数量：7
容量：16 阈值：12 元素数量：8
容量：16 阈值：12 元素数量：9
容量：16 阈值：12 元素数量：10
容量：16 阈值：12 元素数量：11
容量：16 阈值：12 元素数量：12
容量：32 阈值：24 元素数量：13
容量：32 阈值：24 元素数量：14
容量：32 阈值：24 元素数量：15
容量：32 阈值：24 元素数量：16
容量：32 阈值：24 元素数量：17
五、总结
合理设置 HashMap 的初始值大小是优化性能的一个重要环节。通过准确估计元素数量，并根据计算规则设置合适的初始容量，可以减少扩容操作带来的性能开销，提高程序的运行效率。在实际开发中，我们应该根据具体的业务场景和数据规模，灵活运用这一技巧，以提升 HashMap 的性能表现。
希望这篇博客能帮助您更好地理解和应用 HashMap 的初始值大小设置，让您的代码更加高效和出色！
