HashMap的存数据规则

一时失言乱红尘 2023-10-07 11:36 12阅读 0赞

## 1、通过Hash算法来了解HashMap对象的高效性 ##

我们先复习数据结构里的一个知识点：在一个长度为n（假设是10000）的线性表（假设是ArrayList）里，存放着无序的数字；如果我们要找一个指定的数字，就不得不通过从头到尾依次遍历来查找，这样的平均查找次数是n除以2（这里是5000）。

我们再来观察Hash表（这里的Hash表纯粹是数据结构上的概念，和Java无关）。它的平均查找次数接近于1，代价相当小，关键是在Hash表里，存放在其中的数据和它的存储位置是用Hash函数关联的。

我们假设一个Hash函数是x\*x%5。当然实际情况里不可能用这么简单的Hash函数，我们这里纯粹为了说明方便，而Hash表是一个长度是11的线性表。如果我们要把6放入其中，那么我们首先会对6用Hash函数计算一下，结果是1，所以我们就把6放入到索引号是1这个位置。同样如果我们要放数字7，经过Hash函数计算，7的结果是4，那么它将被放入索引是4的这个位置。这个效果如下图所示。

![format_png][]

这样做的好处非常明显。比如我们要从中找6这个元素，我们可以先通过Hash函数计算6的索引位置，然后直接从1号索引里找到它了。

不过我们会遇到“Hash值冲突”这个问题。比如经过Hash函数计算后，7和8会有相同的Hash值，对此Java的HashMap对象采用的是”链地址法“的解决方案。效果如下图所示。

![format_png 1][]

具体的做法是，为所有Hash值是i的对象建立一个同义词链表。假设我们在放入8的时候，发现4号位置已经被占，那么就会新建一个链表结点放入8。同样，如果我们要找8，那么发现4号索引里不是8，那会沿着链表依次查找。

虽然我们还是无法彻底避免Hash值冲突的问题，但是Hash函数设计合理，仍能保证同义词链表的长度被控制在一个合理的范围里。这里讲的理论知识并非无的放矢，大家能在后文里清晰地了解到重写hashCode方法的重要性。

## 2、为什么要重写equals和hashCode方法 ##

当我们用HashMap存入自定义的类时，如果不重写这个自定义类的equals和hashCode方法，得到的结果会和我们预期的不一样。我们来看WithoutHashCode.java这个例子。

我们定义了一个Key类；在其中定义了唯一的一个属性id。当前我们先注释掉equals方法和hashCode方法。

import java.util.HashMap;
    
    class Key {
    
        private Integer id;
    
        public Integer getId() {
            return id; 
        }
    
        public Key(Integer id) {
            this.id = id; 
        }
    
        //故意先注释掉equals和hashCode方法
        // public boolean equals(Object o) {
        //     if (o == null || !(o instanceof Key)) {
        //          return false; 
        //     } else {
        //          return this.getId().equals(((Key) o).getId());
        //     }
        // }
    
        // public int hashCode() { 
        //    return id.hashCode();
        // }
     }
    
     public class WithoutHashCode {
    
         public static void main(String[] args) {
    
             Key k1 = new Key(1);
             Key k2 = new Key(1);
    
             HashMap<Key,String> hm = new HashMap<Key,String>();
             hm.put(k1, "Key with id is 1");
    
             System.out.println(hm.get(k2));
         }
     }

在main函数里，我们定义了两个Key对象，它们的id都是1，就好比它们是两把相同的都能打开同一扇门的钥匙。

我们通过泛型创建了一个HashMap对象。它的键部分可以存放Key类型的对象，值部分可以存储String类型的对象。

我们通过put方法把k1和一串字符放入到hm里；而我们想用k2去从HashMap里得到值；这就好比我们想用k1这把钥匙来锁门，用k2来开门。这是符合逻辑的，但从当前结果看，返回结果不是我们想象中的那个字符串，而是null。

**原因有两个方法没有重写。第一是没有重写hashCode方法，第二是没有重写equals方法**。

当我们往HashMap里放k1时，首先会调用Key这个类的hashCode方法计算它的hash值，随后把k1放入hash值所指引的内存位置。

关键是我们没有在Key里定义hashCode方法。这里调用的仍是Object类的hashCode方法（所有的类都是Object的子类），而Object类的hashCode方法返回的hash值其实是k1对象的内存地址（假设是1000）。

![format_png 2][]

如果我们随后是调用hm.get(k1)，那么我们会再次调用hashCode方法（还是返回k1的地址1000），随后根据得到的hash值，能很快地找到k1。

但我们这里的代码是hm.get(k2)，当我们调用Object类的hashCode方法（因为Key里没定义）计算k2的hash值时，其实得到的是k2的内存地址（假设是2000）。由于k1和k2是两个不同的对象，所以它们的内存地址一定不会相同，也就是说它们的hash值一定不同，这就是我们无法用k2的hash值去拿k1的原因。

当我们把hashCode方法的注释去掉后，会发现它是返回id属性的hashCode值，这里k1和k2的id都是1,所以它们的hash值是相等的。

我们再来更正一下存k1和取k2的动作。存k1时，是根据它id的hash值，假设这里是100，把k1对象放入到对应的位置。而取k2时，是先计算它的hash值（由于k2的id也是1，这个值也是100），随后到这个位置去找。

但结果会出乎我们意料：明明100号位置已经有k1，但第26行的输出结果依然是null。其原因就是没有重写Key对象的equals方法。

HashMap是用链地址法来处理冲突，也就是说，在100号位置上，有可能存在着多个用链表形式存储的对象。它们通过hashCode方法返回的hash值都是100。

![format_png 3][]

当我们通过k2的hashCode到100号位置查找时，确实会得到k1。但k1有可能仅仅是和k2具有相同的hash值，但未必和k2相等（k1和k2两把钥匙未必能开同一扇门），这个时候，就需要调用Key对象的equals方法来判断两者是否相等了。

由于我们在Key对象里没有定义equals方法，系统就不得不调用Object类的equals方法。由于Object的固有方法是根据两个对象的内存地址来判断，所以k1和k2一定不会相等，这就是为什么依然在通过hm.get(k2)依然得到null的原因。

为了解决这个问题，我们需要打开equals方法的注释。在这个方法里，只要两个对象都是Key类型，而且它们的id相等，它们就相等。

## 3、对面试问题的说明 ##

由于在项目里经常会用到HashMap，所以我在面试的时候一定会问这个问题∶你有没有重写过hashCode方法？你在使用HashMap时有没有重写hashCode和equals方法？你是怎么写的？

如果大家要在HashMap的“键”部分存放自定义的对象，一定要在这个对象里用自己的equals和hashCode方法来覆盖Object里的同名方法。

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