java中HashMap的原理分析
投稿：hebedich
我们先来看这样的一道面试题：
在 HashMap 中存放的一系列键值对，其中键为某个我们自定义的类型。放入 HashMap 后，我们在外部把某一个 key 的属性进行更改，然后我们再用这个 key 从 HashMap 里取出元素，这时候 HashMap 会返回什么？
文中已给出示例代码与答案，但关于HashMap的原理没有做出解释。
1. 特性
我们可以用任何类作为HashMap的key，但是对于这些类应该有什么限制条件呢？且看下面的代码：
public class Person {
private String name;
public Person(String name) {
this.name = name;
}
}
Map<Person, String> testMap = new HashMap<>();
testMap.put(new Person("hello"), "world");
testMap.get(new Person("hello")); // ---> null
本是想取出具有相等字段值Person类的value，结果却是null。对HashMap稍有了解的人看出来——Person类并没有override hashcode方法，导致其继承的是Object的hashcode（返回是其内存地址）。这也是为什么常用不变类如String（或Integer等）做为HashMap的key的原因。那么，HashMap是如何利用hashcode给key做快速索引的呢？
2. 原理
首先，我们来看《Thinking in Java》中一个简单HashMap的实现方案：
//: containers/SimpleHashMap.java
// A demonstration hashed Map.
import java.util.*;
import net.mindview.util.*;
public class SimpleHashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> {
// Choose a prime number for the hash table size, to achieve a uniform distribution:
static final int SIZE = 997;
// You can't have a physical array of generics, but you can upcast to one:
@SuppressWarnings("unchecked")
LinkedList<MapEntry<K,V>>[] buckets =
new LinkedList[SIZE];
public V put(K key, V value) {
V oldValue = null;
int index = Math.abs(key.hashCode()) % SIZE;
if(buckets[index] == null)
buckets[index] = new LinkedList<MapEntry<K,V>>();
LinkedList<MapEntry<K,V>> bucket = buckets[index];
MapEntry<K,V> pair = new MapEntry<K,V>(key, value);
boolean found = false;
ListIterator<MapEntry<K,V>> it = bucket.listIterator();
while(it.hasNext()) {
MapEntry<K,V> iPair = it.next();
if(iPair.getKey().equals(key)) {
oldValue = iPair.getValue();
it.set(pair); // Replace old with new
found = true;
break;
}
}
if(!found)
buckets[index].add(pair);
return oldValue;
}
public V get(Object key) {
int index = Math.abs(key.hashCode()) % SIZE;
if(buckets[index] == null) return null;
for(MapEntry<K,V> iPair : buckets[index])
if(iPair.getKey().equals(key))
return iPair.getValue();
return null;
}
public Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() {
Set<Map.Entry<K,V>> set= new HashSet<Map.Entry<K,V>>();
for(LinkedList<MapEntry<K,V>> bucket : buckets) {
if(bucket == null) continue;
for(MapEntry<K,V> mpair : bucket)
set.add(mpair);
}
return set;
}
public static void main(String[] args) {
SimpleHashMap<String,String> m =
new SimpleHashMap<String,String>();
m.putAll(Countries.capitals(25));
System.out.println(m);
System.out.println(m.get("ERITREA"));
System.out.println(m.entrySet());
}
}
SimpleHashMap构造一个hash表来存储key，hash函数是取模运算Math.abs(key.hashCode()) % SIZE，采用链表法解决hash冲突；buckets的每一个槽位对应存放具有相同（hash后）index值的Map.Entry，如下图所示：
JDK的HashMap的实现原理与之相类似，其采用链地址的hash表table存储Map.Entry：
/**
* The table, resized as necessary. Length MUST Always be a power of two.
*/
transient Entry<K,V>[] table = (Entry<K,V>[]) EMPTY_TABLE;
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final K key;
V value;
Entry<K,V> next;
int hash;
…
}
Map.Entry的index是对key的hashcode进行hash后所得。当要get key对应的value时，则对key计算其index，然后在table中取出Map.Entry即可得到，具体参看代码：
public V get(Object key) {
if (key == null)
return getForNullKey();
Entry<K,V> entry = getEntry(key);
return null == entry ? null : entry.getValue();
}
final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
if (size == 0) {
return null;
}
int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
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;
}
可见，hashcode直接影响HashMap的hash函数的效率——好的hashcode会极大减少hash冲突，提高查询性能。同时，这也解释开篇提出的两个问题：如果自定义的类做HashMap的key，则hashcode的计算应涵盖构造函数的所有字段，否则有可能得到null。