Java面试题之HashMap 的 hash 方法原理是什么

Warning：这是《Java 程序员进阶之路》专栏的第 55 篇。

回来后小二找到了我，于是我就写下了这篇文章丢给他，并严厉地告诉他：再搞不懂就别来找我。听到这句话，心头一阵酸，小二绷不住差点要哭 😭。

PS：本文 GitHub 上已同步，有 GitHub 账号的小伙伴，记得看完后给二哥安排一波 star 呀！冲一波 GitHub 的 trending 榜单，求求各位了。

GitHub 地址：https://github.com/itwanger/toBeBetterJavaer

来看一下 hash 方法的源码（JDK 8 中的 HashMap）：

static final int hash(Object key) {
    int h;
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

这段代码究竟是用来干嘛的呢？

我们都知道，key.hashCode() 是用来获取键位的哈希值的，理论上，哈希值是一个 int 类型，范围从-2147483648 到 2147483648。前后加起来大概 40 亿的映射空间，只要哈希值映射得比较均匀松散，一般是不会出现哈希碰撞的。

但问题是一个 40 亿长度的数组，内存是放不下的。HashMap 扩容之前的数组初始大小只有 16，所以这个哈希值是不能直接拿来用的，用之前要和数组的长度做取模运算，用得到的余数来访问数组下标才行。

取模运算有两处。

取模运算（“Modulo Operation”）和取余运算（“Remainder Operation ”）两个概念有重叠的部分但又不完全一致。主要的区别在于对负整数进行除法运算时操作不同。取模主要是用于计算机术语中，取余则更多是数学概念。

一处是往 HashMap 中 put 的时候（putVal 方法中）：

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) {
     HashMap.Node<K,V>[] tab; HashMap.Node<K,V> p; int n, i;
     if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
         n = (tab = resize()).length;
     if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
         tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
}

一处是从 HashMap 中 get 的时候（getNode 方法中）：

final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
     Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
     if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
            (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {}
}

其中的 (n - 1) & hash 正是取模运算，就是把哈希值和（数组长度-1）做了一个“与”运算。

可能大家在疑惑：取模运算难道不该用 % 吗？为什么要用 & 呢？

这是因为 & 运算比 % 更加高效，并且当 b 为 2 的 n 次方时，存在下面这样一个公式。

a % b = a & (b-1)

用 2 n 2^n 2n 替换下 b 就是：

我们来验证一下，假如 a = 14，b = 8，也就是 2 3 2^3 23，n=3。

14%8，14 的二进制为 1110，8 的二进制 1000，8-1 = 7 的二进制为 0111，1110&0111=0110，也就是 0* 2 0 2^0 20+1* 2 1 2^1 21+1* 2 2 2^2 22+0* 2 3 2^3 23=0+2+4+0=6，14%8 刚好也等于 6。

这也正好解释了为什么 HashMap 的数组长度要取 2 的整次方。

因为（数组长度-1）正好相当于一个“低位掩码”——这个掩码的低位最好全是 1，这样 & 操作才有意义，否则结果就肯定是 0，那么 & 操作就没有意义了。

a&b 操作的结果是：a、b 中对应位同时为 1，则对应结果位为 1，否则为 0

2 的整次幂刚好是偶数，偶数-1 是奇数，奇数的二进制最后一位是 1，保证了 hash &(length-1) 的最后一位可能为 0，也可能为 1（这取决于 h 的值），即 & 运算后的结果可能为偶数，也可能为奇数，这样便可以保证哈希值的均匀性。

& 操作的结果就是将哈希值的高位全部归零，只保留低位值，用来做数组下标访问。

假设某哈希值为 10100101 11000100 00100101，用它来做取模运算，我们来看一下结果。HashMap 的初始长度为 16（内部是数组），16-1=15，二进制是 00000000 00000000 00001111（高位用 0 来补齐）：

10100101 11000100 00100101
& 00000000 00000000 00001111
----------------------------------
00000000 00000000 00000101

因为 15 的高位全部是 0，所以 & 运算后的高位结果肯定是 0，只剩下 4 个低位 0101，也就是十进制的 5，也就是将哈希值为 10100101 11000100 00100101 的键放在数组的第 5 位。

明白了取模运算后，我们再来看 put 方法的源码：

public V put(K key, V value) {
    return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}

以及 get 方法的源码：

public V get(Object key) {
    HashMap.Node<K,V> e;
    return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}

它们在调用 putVal 和 getNode 之前，都会先调用 hash 方法：

static final int hash(Object key) {
    int h;
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

那为什么取模运算之前要调用 hash 方法呢？

看下面这个图。

某哈希值为 11111111 11111111 11110000 1110 1010，将它右移 16 位（h >>> 16），刚好是 00000000 00000000 11111111 11111111，再进行异或操作（h ^ (h >>> 16)），结果是 11111111 11111111 00001111 00010101

异或（^）运算是基于二进制的位运算，采用符号 XOR 或者^来表示，运算规则是：如果是同值取 0、异值取 1

由于混合了原来哈希值的高位和低位，所以低位的随机性加大了（掺杂了部分高位的特征，高位的信息也得到了保留）。

结果再与数组长度-1（00000000 00000000 00000000 00001111）做取模运算，得到的下标就是 00000000 00000000 00000000 00000101，也就是 5。

还记得之前我们假设的某哈希值 10100101 11000100 00100101 吗？在没有调用 hash 方法之前，与 15 做取模运算后的结果也是 5，我们不妨来看看调用 hash 之后的取模运算结果是多少。

某哈希值 00000000 10100101 11000100 00100101（补齐 32 位），将它右移 16 位（h >>> 16），刚好是 00000000 00000000 00000000 10100101，再进行异或操作（h ^ (h >>> 16)），结果是 00000000 10100101 00111011 10000000

结果再与数组长度-1（00000000 00000000 00000000 00001111）做取模运算，得到的下标就是 00000000 00000000 00000000 00000000，也就是 0。

综上所述，hash 方法是用来做哈希值优化的，把哈希值右移 16 位，也就正好是自己长度的一半，之后与原哈希值做异或运算，这样就混合了原哈希值中的高位和低位，增大了随机性。

说白了，hash 方法就是为了增加随机性，让数据元素更加均衡的分布，减少碰撞。

到此这篇关于Java面试题之HashMap 的 hash 方法原理是什么的文章就介绍到这了,更多相关Java HashMap内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！