Java集合框架HashSet和HashMap源码剖析

た入场券 2022-05-28 05:19 257阅读 0赞

##                       Java集合框架HashSet和HashMap源码剖析 ##

## 总体介绍    ##

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之所以把HashSet和HashMap放在一起讲解，是因为二者在Java里有着相同的实现，前者仅仅是对后者做了一层包装，也就是说HashSet里面有一个HashMap（适配器模式）。因此本文将重点分析HashMap。

HashMap实现了Map接口，允许放入null元素，除该类未实现同步外，其余跟Hashtable大致相同，跟TreeMap不同，该容器不保证元素顺序，根据需要该容器可能会对元素重新哈希，元素的顺序也会被重新打散，因此不同时间迭代同一个HashMap的顺序可能会不同。

根据对冲突的处理方式不同，哈希表有两种实现方式，一种开放地址方式（Open addressing），另一种是冲突链表方式（Separate chaining with linked lists）。Java HashMap采用的是冲突链表方式。

![Center][]

从上图容易看出，如果选择合适的哈希函数，put()和get()方法可以在常数时间内完成。但在对HashMap进行迭代时，需要遍历整个table以及后面跟的冲突链表。因此对于迭代比较频繁的场景，不宜将HashMap的初始大小设的过大。

有两个参数可以影响HashMap的性能：初始容量（inital capacity）和负载系数（load factor）。初始容量指定了初始table的大小，负载系数用来指定自动扩容的临界值。当entry的数量超过capacity\*load\_factor时，容器将自动扩容并重新哈希。对于插入元素较多的场景，将初始容量设大可以减少重新哈希的次数。

将对向放入到HashMap或HashSet中时，有两个方法需要特别关心：hashCode()和equals()。hashCode()方法决定了对象会被放到哪个bucket里，当多个对象的哈希值冲突时，equals()方法决定了这些对象是否是“同一个对象”。所以，如果要将自定义的对象放入到HashMap或HashSet中，需要@Override hashCode()和equals()方法。

## 方法剖析 ##

1.get()

get(Object key)方法根据指定的key值返回对应的value，该方法调用了getEntry(Object key)得到相应的entry，然后返回entry.getValue()。因此getEntry()是算法的核心。

算法思想是首先通过hash()函数得到对应bucket的下标，然后依次遍历冲突链表，通过key.equals(k)方法来判断是否是要找的那个entry。

![Center 1][]

上图中hash(k)&(table.length-1)等价于hash(k)%table.length，原因是HashMap要求table.length必须是2的指数，因此table.length-1就是二进制低位全是1，跟hash(k)相与会将哈希值的高位全抹掉，剩下的就是余数了。

//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)];//得到冲突链表
            e != null; e = e.next) {
        //依次遍历冲突链表中的每个entry
           Object k;
           //依据equals()方法判断是否相等
           if (e.hash == hash &&
               ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
               return e;
       }
       return null;
    }

###     ###

### 2.put() ###

put(K key, V value)方法是将指定的key, value对添加到map里。该方法首先会对map做一次查找，看是否包含该元组，如果已经包含则直接返回，查找过程类似于getEntry()方法；如果没有找到，则会通过addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex)方法插入新的entry，插入方式为头插法。

![Center 2][]

//addEntry()
    void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
        
       if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
        
           resize(2 * table.length);//自动扩容，并重新哈希
           hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
           bucketIndex = hash & (table.length-1);//hash%table.length
       }
       //在冲突链表头部插入新的entry
       Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
       table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
       size++;
    }

### 3.remove() ###

remove(Object key)的作用是删除key值对应的entry，该方法的具体逻辑是在removeEntryForKey(Object key)里实现的。removeEntryForKey()方法会首先找到key值对应的entry，然后删除该entry（修改链表的相应指针）。查找过程跟getEntry()过程类似。

![Center 3][]

/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];//得到冲突链表
       Entry<K,V> e = prev;
       while (e != null) {
        //遍历冲突链表
           Entry<K,V> next = e.next;
           Object k;
           if (e.hash == hash &&
               ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
        //找到要删除的entry
               modCount++; size--;
               if (prev == e) table[i] = next;//删除的是冲突链表的第一个entry
               else prev.next = next;
               return e;
           }
           prev = e; e = next;
       }
       return e;
    }

##     ##

## HashSet ##

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前面已经说过HashSet是对HashMap的简单包装，对HashSet的函数调用都会转换成合适的HashMap方法，因此HashSet的实现非常简单，只有不到300行代码。这里不再赘述。

//HashSet是对HashMap的简单包装
    public class HashSet<E> { 
       ......
       private transient HashMap<E,Object> map;//HashSet里面有一个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) {
        //简单的方法转换
           return map.put(e, PRESENT)==null;
       }
       ......
    }

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