Java HashSet和HashMap源碼剖析

2019-11-06 07:54:04

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java HashSet和HashMap源碼剖析

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總體介紹

之所以把HashSet和HashMap放在一起講解，是因為二者在Java里有著相同的實現(xiàn)，前者僅僅是對后者做了一層包裝，也就是說HashSet里面有一個HashMap（適配器模式）。因此本文將重點分析HashMap。

HashMap實現(xiàn)了Map接口，允許放入null元素，除該類未實現(xiàn)同步外，其余跟Hashtable大致相同，跟TreeMap不同，該容器不保證元素順序，根據需要該容器可能會對元素重新哈希，元素的順序也會被重新打散，因此不同時間迭代同一個HashMap的順序可能會不同。根據對沖突的處理方式不同，哈希表有兩種實現(xiàn)方式，一種開放地址方式（Open addressing），另一種是沖突鏈表方式（Separate chaining with linked lists）。Java HashMap采用的是沖突鏈表方式。

HashMap結構圖

從上圖容易看出，如果選擇合適的哈希函數(shù)，put()和get()方法可以在常數(shù)時間內完成。但在對HashMap進行迭代時，需要遍歷整個table以及后面跟的沖突鏈表。因此對于迭代比較頻繁的場景，不宜將HashMap的初始大小設的過大。

有兩個參數(shù)可以影響HashMap的性能：初始容量（inital capacity）和負載系數(shù)（load factor）。初始容量指定了初始table的大小，負載系數(shù)用來指定自動擴容的臨界值。當entry的數(shù)量超過capacity* load_factor時，容器將自動擴容并重新哈希。對于插入元素較多的場景，將初始容量設大可以減少重新哈希的次數(shù)。

將對向放入到HashMap或HashSet中時，有兩個方法需要特別關心：hashCode()和equals()。hashCode()方法決定了對象會被放到哪個bucket里，當多個對象的哈希值沖突時，equals()方法決定了這些對象是否是“同一個對象”。所以，如果要將自定義的對象放入到HashMap或HashSet中，需要@Override hashCode()和equals()方法。

方法剖析

get()

get(Object key)方法根據指定的key值返回對應的value，該方法調用了getEntry(Object key)得到相應的entry，然后返回entry.getValue()。因此getEntry()是算法的核心。算法思想是首先通過hash()函數(shù)得到對應bucket的下標，然后依次遍歷沖突鏈表，通過key.equals(k)方法來判斷是否是要找的那個entry。

HashMap 個體Entry()

上圖中hash(k)&(table.length-1)等價于hash(k)%table.length，原因是HashMap要求table.length必須是2的指數(shù)，因此table.length-1就是二進制低位全是1，跟hash(k)相與會將哈希值的高位全抹掉，剩下的就是余數(shù)了。

//getEntry()方法final Entry<K,V> getEntry(Object key) { ...... int hash = (key == null) ? 0 : hash(key); for (Entry<K,V> e = table[hash&(table.length-1)];//得到沖突鏈表 e != null; e = e.next) {//依次遍歷沖突鏈表中的每個entry Object k; //依據equals()方法判斷是否相等 if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) return e; } return null;}

put()

put(K key, V value)方法是將指定的key, value對添加到map里。該方法首先會對map做一次查找，看是否包含該元組，如果已經包含則直接返回，查找過程類似于getEntry()方法；如果沒有找到，則會通過addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex)方法插入新的entry，插入方式為頭插法。

HashMap add Entry()

//addEntry()void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) { if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) { resize(2 * table.length);//自動擴容，并重新哈希 hash = (null != key) ? hash(key) : 0; bucketIndex = hash & (table.length-1);//hash%table.length } //在沖突鏈表頭部插入新的entry Entry<K,V> e = table[bucketIndex]; table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e); size++;}

remove()

remove(Object key)的作用是刪除key值對應的entry，該方法的具體邏輯是在removeEntryForKey(Object key)里實現(xiàn)的。removeEntryForKey()方法會首先找到key值對應的entry，然后刪除該entry（修改鏈表的相應指針）。查找過程跟getEntry()過程類似。

HashMap remove()

//removeEntryForKey()final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) { ...... int hash = (key == null) ? 0 : hash(key); int i = indexFor(hash, table.length);//hash&(table.length-1) Entry<K,V> PRev = table[i];//得到沖突鏈表 Entry<K,V> e = prev; while (e != null) {//遍歷沖突鏈表 Entry<K,V> next = e.next; Object k; if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {//找到要刪除的entry modCount++; size--; if (prev == e) table[i] = next;//刪除的是沖突鏈表的第一個entry else prev.next = next; return e; } prev = e; e = next; } return e;}

HashSet

前面已經說過HashSet是對HashMap的簡單包裝，對HashSet的函數(shù)調用都會轉換成合適的HashMap方法，因此HashSet的實現(xiàn)非常簡單，只有不到300行代碼。這里不再贅述。

//HashSet是對HashMap的簡單包裝public class HashSet<E>{ ...... private transient HashMap<E,Object> map;//HashSet里面有一個HashMap // Dummy value to associate with an Object in the backing Map private static final Object PRESENT = new Object(); public HashSet() { map = new HashMap<>(); } ...... public boolean add(E e) {//簡單的方法轉換 return map.put(e, PRESENT)==null; } ......}

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