谈谈你对map的理解_java中map遍历

谈谈你对map的理解_java中map遍历摘要:  HashMap是Map族中最为常用的一种,也是JavaCollectionFramework的重要成员。本文首先给出了HashMap的实质并概述了其与Map、HashSet的关系,紧接着给出了HashMap在JDK中的定义,并结合源码分析了其四种构造方式。最后,通过对HashMap的数据结构、实现原理、源码实现三个方面的剖析,深入到它底层Hash存储机…

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摘要:

  HashMap是Map族中最为常用的一种,也是 Java Collection Framework 的重要成员。本文首先给出了 HashMap 的实质并概述了其与 Map、HashSet 的关系,紧接着给出了 HashMap 在 JDK 中的定义,并结合源码分析了其四种构造方式。最后,通过对 HashMap 的数据结构、实现原理、源码实现三个方面的剖析,深入到它底层 Hash 存储机制,解释了其底层数组长度总是 2 的 n 次方的原因,也揭示了其快速存取、扩容及扩容后的重哈希的原理与实现。


友情提示:

  本文所有关于HashMap的源码都是基于 JDK 1.6 的,不同 JDK 版本之间也许会有些许差异,但不影响我们对 HashMap 的数据结构、原理等整体的把握和了解。

  HashMap 的直接子类LinkedHashMap继承了HashMap的所用特性,并且还通过额外维护一个双向链表保持了有序性, 通过对比LinkedHashMap和HashMap的实现有助于更好的理解HashMap。关于LinkedHashMap的更多介绍,请参见我的另一篇博文《Map 综述(二):彻头彻尾理解 LinkedHashMap》,欢迎指正~


版权声明:

本文原创作者:书呆子Rico
作者博客地址:http://blog.csdn.net/justloveyou_/


一. HashMap 概述

  Map 是 Key-Value 对映射的抽象接口,该映射不包括重复的键,即一个键对应一个值。HashMap 是 Java Collection Framework 的重要成员,也是Map族(如下图所示)中我们最为常用的一种。简单地说,HashMap 是基于哈希表的 Map 接口的实现,以 Key-Value 的形式存在,即存储的对象是 Entry (同时包含了 Key 和 Value) 。在HashMap中,其会根据hash算法来计算key-value的存储位置并进行快速存取。特别地,HashMap最多只允许一条Entry的键为Null(多条会覆盖),但允许多条Entry的值为Null。此外,HashMap 是 Map 的一个非同步的实现。
            这里写图片描述

  同样地,HashSet 也是 Java Collection Framework 的重要成员,是 Set 接口的常用实现类,但其与 HashMap 有很多相似之处。对于 HashSet 而言,其采用 Hash 算法决定元素在Set中的存储位置,这样可以保证元素的快速存取;对于 HashMap 而言,其将 key-value 当成一个整体(Entry 对象)来处理,其也采用同样的 Hash 算法去决定 key-value 的存储位置从而保证键值对的快速存取。虽然 HashMap 和 HashSet 实现的接口规范不同,但是它们底层的 Hash 存储机制完全相同。实际上,HashSet 本身就是在 HashMap 的基础上实现的。因此,通过对 HashMap 的数据结构、实现原理、源码实现三个方面了解,我们不但可以进一步掌握其底层的 Hash 存储机制,也有助于对 HashSet 的了解。

  必须指出的是,虽然容器号称存储的是 Java 对象,但实际上并不会真正将 Java 对象放入容器中,只是在容器中保留这些对象的引用。也就是说,Java 容器实际上包含的是引用变量,而这些引用变量指向了我们要实际保存的 Java 对象。


二. HashMap 在 JDK 中的定义

  HashMap实现了Map接口,并继承 AbstractMap 抽象类,其中 Map 接口定义了键值映射规则。和 AbstractCollection抽象类在 Collection 族的作用类似, AbstractMap 抽象类提供了 Map 接口的骨干实现,以最大限度地减少实现Map接口所需的工作。HashMap 在JDK中的定义为:

public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable{ 
   
...
}

三. HashMap 的构造函数

  HashMap 一共提供了四个构造函数,其中 默认无参的构造函数 和 参数为Map的构造函数 为 Java Collection Framework 规范的推荐实现,其余两个构造函数则是 HashMap 专门提供的。


1、HashMap()

  该构造函数意在构造一个具有> 默认初始容量 (16) 和 默认负载因子(0.75) 的空 HashMap,是 Java Collection Framework 规范推荐提供的,其源码如下:

     /** * Constructs an empty HashMap with the default initial capacity * (16) and the default load factor (0.75). */
    public HashMap() {

        //负载因子:用于衡量的是一个散列表的空间的使用程度
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; 

        //HashMap进行扩容的阈值,它的值等于 HashMap 的容量乘以负载因子
        threshold = (int)(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);

        // HashMap的底层实现仍是数组,只是数组的每一项都是一条链
        table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];

        init();
    }

2、HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)

  该构造函数意在构造一个 指定初始容量 和 指定负载因子的空 HashMap,其源码如下:

    /** * Constructs an empty HashMap with the specified initial capacity and load factor. */
    public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
        //初始容量不能小于 0
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " + initialCapacity);

        //初始容量不能超过 2^30
        if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
            initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;

        //负载因子不能小于 0 
        if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
            throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
                                               loadFactor);

        // HashMap 的容量必须是2的幂次方,超过 initialCapacity 的最小 2^n 
        int capacity = 1;
        while (capacity < initialCapacity)
            capacity <<= 1;   

        //负载因子
        this.loadFactor = loadFactor;

        //设置HashMap的容量极限,当HashMap的容量达到该极限时就会进行自动扩容操作
        threshold = (int)(capacity * loadFactor);

        // HashMap的底层实现仍是数组,只是数组的每一项都是一条链
        table = new Entry[capacity];
        init();
    }

3、HashMap(int initialCapacity)

  该构造函数意在构造一个指定初始容量和默认负载因子 (0.75)的空 HashMap,其源码如下:

    // Constructs an empty HashMap with the specified initial capacity and the default load factor (0.75)
    public HashMap(int initialCapacity) {
        this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);  // 直接调用上述构造函数
    }

4、HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m)

  该构造函数意在构造一个与指定 Map 具有相同映射的 HashMap,其 初始容量不小于 16 (具体依赖于指定Map的大小),负载因子是 0.75,是 Java Collection Framework 规范推荐提供的,其源码如下:

    // Constructs a new HashMap with the same mappings as the specified Map. 
    // The HashMap is created with default load factor (0.75) and an initial capacity
    // sufficient to hold the mappings in the specified Map.
    public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {

        // 初始容量不小于 16 
        this(Math.max((int) (m.size() / DEFAULT_LOAD_FACTOR) + 1,
                      DEFAULT_INITIAL_CAPACITY), DEFAULT_LOAD_FACTOR);
        putAllForCreate(m);
    }

  在这里,我们提到了两个非常重要的参数:初始容量 负载因子,这两个参数是影响HashMap性能的重要参数。其中,容量表示哈希表中桶的数量 (table 数组的大小),初始容量是创建哈希表时桶的数量;负载因子是哈希表在其容量自动增加之前可以达到多满的一种尺度,它衡量的是一个散列表的空间的使用程度,负载因子越大表示散列表的装填程度越高,反之愈小。

  对于使用 拉链法(下文会提到)的哈希表来说,查找一个元素的平均时间是 O(1+a),a 指的是链的长度,是一个常数。特别地,若负载因子越大,那么对空间的利用更充分,但查找效率的也就越低;若负载因子越小,那么哈希表的数据将越稀疏,对空间造成的浪费也就越严重。系统默认负载因子为 0.75,这是时间和空间成本上一种折衷,一般情况下我们是无需修改的。


四. HashMap 的数据结构

1、哈希的相关概念

  Hash 就是把任意长度的输入(又叫做预映射, pre-image),通过哈希算法,变换成固定长度的输出(通常是整型),该输出就是哈希值。这种转换是一种 压缩映射 ,也就是说,散列值的空间通常远小于输入的空间。不同的输入可能会散列成相同的输出,从而不可能从散列值来唯一的确定输入值。简单的说,就是一种将任意长度的消息压缩到某一固定长度的息摘要函数。


2、哈希的应用:数据结构

  我们知道,数组的特点是:寻址容易,插入和删除困难;而链表的特点是:寻址困难,插入和删除容易。那么我们能不能综合两者的特性,做出一种寻址容易,插入和删除也容易的数据结构呢?答案是肯定的,这就是我们要提起的哈希表。事实上,哈希表有多种不同的实现方法,我们接下来解释的是最经典的一种方法 —— 拉链法,我们可以将其理解为 链表的数组,如下图所示:

              拉链哈希表.jpg-39.5kB

  我们可以从上图看到,左边很明显是个数组,数组的每个成员是一个链表。该数据结构所容纳的所有元素均包含一个指针,用于元素间的链接。我们根据元素的自身特征把元素分配到不同的链表中去,反过来我们也正是通过这些特征找到正确的链表,再从链表中找出正确的元素。其中,根据元素特征计算元素数组下标的方法就是 哈希算法

  总的来说,哈希表适合用作快速查找、删除的基本数据结构,通常需要总数据量可以放入内存。在使用哈希表时,有以下几个关键点:

  • hash 函数(哈希算法)的选择:针对不同的对象(字符串、整数等)具体的哈希方法;

  • 碰撞处理:常用的有两种方式,一种是open hashing,即 >拉链法;另一种就是 closed hashing,即开地址法(opened addressing)。

      
    更多关于哈希(Hash)的介绍,请移步我的博文《Java 中的 ==, equals 与 hashCode 的区别与联系》


3、HashMap 的数据结构             

  我们知道,在Java中最常用的两种结构是 数组 链表,几乎所有的数据结构都可以利用这两种来组合实现,HashMap 就是这种应用的一个典型。实际上,HashMap 就是一个 链表数组,如下是它数据结构:

              ![哈希表.png-10.2kB][4]

  从上图中,我们可以形象地看出HashMap底层实现还是数组,只是数组的每一项都是一条链。其中参数initialCapacity 就代表了该数组的长度,也就是桶的个数。在第三节我们已经了解了HashMap 的默认构造函数的源码:

 /** * Constructs an empty HashMap with the default initial capacity * (16) and the default load factor (0.75). */
    public HashMap() {

        //负载因子:用于衡量的是一个散列表的空间的使用程度
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; 

        //HashMap进行扩容的阈值,它的值等于 HashMap 的容量乘以负载因子
        threshold = (int)(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);

        // HashMap的底层实现仍是数组,只是数组的每一项都是一条链
        table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];

        init();
    }

  从上述源码中我们可以看出,每次新建一个HashMap时,都会初始化一个Entry类型的table数组,其中 Entry类型的定义如下:

static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {

    final K key;     // 键值对的键
    V value;        // 键值对的值
    Entry<K,V> next;    // 下一个节点
    final int hash;     // hash(key.hashCode())方法的返回值

    /** * Creates new entry. */
    Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {     // Entry 的构造函数
        value = v;
        next = n;
        key = k;
        hash = h;
    }

    ......

}

  其中,Entry为HashMap的内部类,实现了 Map.Entry 接口,其包含了键key、值value、下一个节点next,以及hash值四个属性。事实上,Entry 是构成哈希表的基石,是哈希表所存储的元素的具体形式。


五. HashMap 的快速存取

  在HashMap中,我们最常用的两个操作就是:put(Key,Value) 和 get(Key)。我们都知道,HashMap中的Key是唯一的,那它是如何保证唯一性的呢?我们首先想到的是用equals比较,没错,这样可以实现,但随着元素的增多,put 和 get 的效率将越来越低,这里的时间复杂度是O(n)。也就是说,假如 HashMap 有1000个元素,那么 put时就需要比较 1000 次,这是相当耗时的,远达不到HashMap快速存取的目的。实际上,HashMap 很少会用到equals方法,因为其内通过一个哈希表管理所有元素,利用哈希算法可以快速的存取元素。当我们调用put方法存值时,HashMap首先会调用Key的hashCode方法,然后基于此获取Key哈希码,通过哈希码快速找到某个桶,这个位置可以被称之为 bucketIndex。通过《Java 中的 ==, equals 与 hashCode 的区别与联系》 所述hashCode的协定可以知道,如果两个对象的hashCode不同,那么equals一定为 false;否则,如果其hashCode相同,equals也不一定为 true。所以,理论上,hashCode 可能存在碰撞的情况,当碰撞发生时,这时会取出bucketIndex桶内已存储的元素,并通过hashCode() 和 equals() 来逐个比较以判断Key是否已存在。如果已存在,则使用新Value值替换旧Value值,并返回旧Value值;如果不存在,则存放新的键值对<Key, Value>到桶中。因此,在 HashMap中,equals() 方法只有在哈希码碰撞时才会被用到。

  下面我们结合JDK源码看HashMap 的存取实现。


1、HashMap 的存储实现

  在 HashMap 中,键值对的存储是通过 put(key,vlaue) 方法来实现的,其源码如下:

    /** * Associates the specified value with the specified key in this map. * If the map previously contained a mapping for the key, the old * value is replaced. * * @param key key with which the specified value is to be associated * @param value value to be associated with the specified key * @return the previous value associated with key, or null if there was no mapping for key. * Note that a null return can also indicate that the map previously associated null with key. */
    public V put(K key, V value) {

        //当key为null时,调用putForNullKey方法,并将该键值对保存到table的第一个位置 
        if (key == null)
            return putForNullKey(value); 

        //根据key的hashCode计算hash值
        int hash = hash(key.hashCode());             // ------- (1)

        //计算该键值对在数组中的存储位置(哪个桶)
        int i = indexFor(hash, table.length);              // ------- (2)

        //在table的第i个桶上进行迭代,寻找 key 保存的位置
        for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {      // ------- (3)
            Object k;
            //判断该条链上是否存在hash值相同且key值相等的映射,若存在,则直接覆盖 value,并返回旧value
            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;    // 返回旧值
            }
        }

        modCount++; //修改次数增加1,快速失败机制

        //原HashMap中无该映射,将该添加至该链的链头
        addEntry(hash, key, value, i);            
        return null;
    }

  通过上述源码我们可以清楚了解到HashMap保存数据的过程。首先,判断key是否为null,若为null,则直接调用putForNullKey方法;若不为空,则先计算key的hash值,然后根据hash值搜索在table数组中的索引位置,如果table数组在该位置处有元素,则查找是否存在相同的key,若存在则覆盖原来key的value,否则将该元素保存在链头(最先保存的元素放在链尾)。此外,若table在该处没有元素,则直接保存。这个过程看似比较简单,但其实有很多需要回味的地方,下面我们一一来看。

  先看源码中的 (3) 处,此处迭代原因就是为了防止存在相同的key值。如果发现两个hash值(key)相同时,HashMap的处理方式是用新value替换旧value,这里并没有处理key,这正好解释了 HashMap 中没有两个相同的 key。


1). 对NULL键的特别处理:putForNullKey()

我们直接看其源码:

    /** * Offloaded version of put for null keys */
    private V putForNullKey(V value) {
        // 若key==null,则将其放入table的第一个桶,即 table[0]
        for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {   
            if (e.key == null) {   // 若已经存在key为null的键,则替换其值,并返回旧值
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;
            }
        }
        modCount++;        // 快速失败
        addEntry(0, null, value, 0);       // 否则,将其添加到 table[0] 的桶中
        return null;
    }

  通过上述源码我们可以清楚知到,HashMap 中可以保存键为NULL的键值对,且该键值对是唯一的。若再次向其中添加键为NULL的键值对,将覆盖其原值。此外,如果HashMap中存在键为NULL的键值对,那么一定在第一个桶中。


2). HashMap 中的哈希策略(算法)

  在上述的 put(key,vlaue) 方法的源码中,我们标出了 HashMap 中的哈希策略(即(1)、(2)两处),hash() 方法用于对Key的hashCode进行重新计算,而 indexFor() 方法用于生成这个Entry对象的插入位置。当计算出来的hash值与hashMap的(length-1)做了&运算后,会得到位于区间[0,length-1]的一个值。特别地,这个值分布的越均匀, HashMap 的空间利用率也就越高,存取效率也就越好。


  我们首先看(1)处的 hash() 方法,该方法为一个纯粹的数学计算,用于进一步计算key的hash值,源码如下:

    /** * Applies a supplemental hash function to a given hashCode, which * defends against poor quality hash functions. This is critical * because HashMap uses power-of-two length hash tables, that * otherwise encounter collisions for hashCodes that do not differ * in lower bits. * * Note: Null keys always map to hash 0, thus index 0. */
    static int hash(int h) {
        // This function ensures that hashCodes that differ only by
        // constant multiples at each bit position have a bounded
        // number of collisions (approximately 8 at default load factor).
        h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
        return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
    }

  正如JDK官方对该方法的描述那样,使用hash()方法对一个对象的hashCode进行重新计算是为了防止质量低下的hashCode()函数实现。由于hashMap的支撑数组长度总是 2 的幂次,通过右移可以使低位的数据尽量的不同,从而使hash值的分布尽量均匀。更多关于该 hash(int h)方法的介绍请见《HashMap hash方法分析》,此不赘述。


 通过上述hash()方法计算得到 Key 的 hash值 后,怎么才能保证元素均匀分布到table的每个桶中呢?我们会想到取模,但是由于取模的效率较低,HashMap 是通过调用(2)处的indexFor()方法处理的,其不但简单而且效率很高,对应源码如下所示:

    /** * Returns index for hash code h. */
    static int indexFor(int h, int length) {
        return h & (length-1);  // 作用等价于取模运算,但这种方式效率更高
    }

  我们知道,HashMap的底层数组长度总是2的n次方。当length为2的n次方时,h&(length – 1)就相当于对length取模,而且速度比直接取模要快得多,这是HashMap在速度上的一个优化。至于HashMap的底层数组长度为什么是2的n次方,下一节将给出解释。


  总而言之,上述的hash()方法和indexFor()方法的作用只有一个:保证元素均匀分布到table的每个桶中以便充分利用空间。


3). HashMap 中键值对的添加:addEntry()
我们直接看其源码:

     /** * Adds a new entry with the specified key, value and hash code to * the specified bucket. It is the responsibility of this * method to resize the table if appropriate. * * Subclass overrides this to alter the behavior of put method. * * 永远都是在链表的表头添加新元素 */
    void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {

        //获取bucketIndex处的链表
        Entry<K,V> e = table[bucketIndex];

        //将新创建的 Entry 链入 bucketIndex处的链表的表头 
        table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);

        //若HashMap中元素的个数超过极限值 threshold,则容量扩大两倍
        if (size++ >= threshold)
            resize(2 * table.length);
    }

  通过上述源码我们可以清楚地了解到 链的产生时机。HashMap 总是将新的Entry对象添加到bucketIndex处,若bucketIndex处已经有了Entry对象,那么新添加的Entry对象将指向原有的Entry对象,并形成一条新的以它为链头的Entry链;但是,若bucketIndex处原先没有Entry对象,那么新添加的Entry对象将指向 null,也就生成了一条长度为 1 的全新的Entry链了。HashMap 永远都是在链表的表头添加新元素。此外,若HashMap中元素的个数超过极限值 threshold,其将进行扩容操作,一般情况下,容量将扩大至原来的两倍。


4). HashMap 的扩容:resize()

  随着HashMap中元素的数量越来越多,发生碰撞的概率将越来越大,所产生的子链长度就会越来越长,这样势必会影响HashMap的存取速度。为了保证HashMap的效率,系统必须要在某个临界点进行扩容处理,该临界点就是HashMap中元素的数量在数值上等于threshold(table数组长度*加载因子)。但是,不得不说,扩容是一个非常耗时的过程,因为它需要重新计算这些元素在新table数组中的位置并进行复制处理。所以,如果我们能够提前预知HashMap 中元素的个数,那么在构造HashMap时预设元素的个数能够有效的提高HashMap的性能。我们直接看其源码:

     /** * Rehashes the contents of this map into a new array with a * larger capacity. This method is called automatically when the * number of keys in this map reaches its threshold. * * If current capacity is MAXIMUM_CAPACITY, this method does not * resize the map, but sets threshold to Integer.MAX_VALUE. * This has the effect of preventing future calls. * * @param newCapacity the new capacity, MUST be a power of two; * must be greater than current capacity unless current * capacity is MAXIMUM_CAPACITY (in which case value * is irrelevant). */
    void resize(int newCapacity) {
        Entry[] oldTable = table;
        int oldCapacity = oldTable.length;

        // 若 oldCapacity 已达到最大值,直接将 threshold 设为 Integer.MAX_VALUE
        if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {  
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return;             // 直接返回
        }

        // 否则,创建一个更大的数组
        Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];

        //将每条Entry重新哈希到新的数组中
        transfer(newTable);

        table = newTable;
        threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);  // 重新设定 threshold
    }

  该方法的作用及触发动机如下:

  Rehashes the contents of this map into a new array with a larger capacity. This method is called automatically when the number of keys in this map reaches its threshold.


5). HashMap 的重哈希:transfer()

  重哈希的主要是一个重新计算原HashMap中的元素在新table数组中的位置并进行复制处理的过程,我们直接看其源码:

    /** * Transfers all entries from current table to newTable. */
    void transfer(Entry[] newTable) {

        // 将原数组 table 赋给数组 src
        Entry[] src = table;
        int newCapacity = newTable.length;

        // 将数组 src 中的每条链重新添加到 newTable 中
        for (int j = 0; j < src.length; j++) {
            Entry<K,V> e = src[j];
            if (e != null) {
                src[j] = null;   // src 回收

                // 将每条链的每个元素依次添加到 newTable 中相应的桶中
                do {
                    Entry<K,V> next = e.next;

                    // e.hash指的是 hash(key.hashCode())的返回值;
                    // 计算在newTable中的位置,注意原来在同一条子链上的元素可能被分配到不同的子链
                    int i = indexFor(e.hash, newCapacity);   
                    e.next = newTable[i];
                    newTable[i] = e;
                    e = next;
                } while (e != null);
            }
        }
    }

  特别需要注意的是,在重哈希的过程中,原属于一个桶中的Entry对象可能被分到不同的桶,因为HashMap 的容量发生了变化,那么 h&(length – 1) 的值也会发生相应的变化。极端地说,如果重哈希后,原属于一个桶中的Entry对象仍属于同一桶,那么重哈希也就失去了意义。


2、HashMap 的读取实现

  相对于HashMap的存储而言,读取就显得比较简单了。因为,HashMap只需通过key的hash值定位到table数组的某个特定的桶,然后查找并返回该key对应的value即可,源码如下:

/** * Returns the value to which the specified key is mapped, * or {@code null} if this map contains no mapping for the key. * * <p>More formally, if this map contains a mapping from a key * {@code k} to a value {@code v} such that {@code (key==null ? k==null : * key.equals(k))}, then this method returns {@code v}; otherwise * it returns {@code null}. (There can be at most one such mapping.) * * <p>A return value of {@code null} does not <i>necessarily</i> * indicate that the map contains no mapping for the key; it's also * possible that the map explicitly maps the key to {@code null}. * The {@link #containsKey containsKey} operation may be used to * distinguish these two cases. * * @see #put(Object, Object) */
    public V get(Object key) {
        // 若为null,调用getForNullKey方法返回相对应的value
        if (key == null)
            // 从table的第一个桶中寻找 key 为 null 的映射;若不存在,直接返回null
            return getForNullKey();  

        // 根据该 key 的 hashCode 值计算它的 hash 码 
        int hash = hash(key.hashCode());
        // 找出 table 数组中对应的桶
        for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];
             e != null;
             e = e.next) {
            Object k;
            //若搜索的key与查找的key相同,则返回相对应的value
            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))
                return e.value;
        }
        return null;
    }

  在这里能够根据key快速的取到value,除了和HashMap的数据结构密不可分外,还和Entry有莫大的关系。在前面就已经提到过,HashMap在存储过程中并没有将key,value分开来存储,而是当做一个整体key-value来处理的,这个整体就是Entry对象。特别地,在Entry对象中,value的地位要比key低一些,相当于是 key 的附属。


  其中,针对键为NULL的键值对,HashMap 提供了专门的处理:getForNullKey(),其源码如下:

 /** * Offloaded version of get() to look up null keys. Null keys map * to index 0. This null case is split out into separate methods * for the sake of performance in the two most commonly used * operations (get and put), but incorporated with conditionals in * others. */
    private V getForNullKey() {
        // 键为NULL的键值对若存在,则必定在第一个桶中
        for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
            if (e.key == null)
                return e.value;
        }
        // 键为NULL的键值对若不存在,则直接返回 null
        return null;
    }

因此,调用HashMap的get(Object key)方法后,若返回值是 NULL,则存在如下两种可能:

  • 该 key 对应的值就是 null;
  • HashMap 中不存在该 key。

3、HashMap 存取小结

  在存储的过程中,系统根据key的hash值来定位Entry在table数组中的哪个桶,并且将其放到对应的链表的链头;在取的过程中,同样根据key的hash值来定位Entry在table数组中的哪个桶,然后在该桶中查找并返回。


六. HashMap 的底层数组长度为何总是2的n次方?

  我们知道,HashMap的底层数组长度总是2的n次方,原因是 HashMap 在其构造函数 HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) 中作了特别的处理,如下面的代码所示。当底层数组的length为2的n次方时, h&(length – 1) 就相当于对length取模,其效率要比直接取模高得多,这是HashMap在效率上的一个优化。

// HashMap 的容量必须是2的幂次方,超过 initialCapacity 的最小 2^n 
int capacity = 1;
while (capacity < initialCapacity)
    capacity <<= 1;  

  在上文已经提到过,HashMap 中的数据结构是一个数组链表,我们希望的是元素存放的越均匀越好。最理想的效果是,Entry数组中每个位置都只有一个元素,这样,查询的时候效率最高,不需要遍历单链表,也不需要通过equals去比较Key,而且空间利用率最大。

  那如何计算才会分布最均匀呢?正如上一节提到的,HashMap采用了一个分两步走的哈希策略:

  • 使用 hash() 方法用于对Key的hashCode进行重新计算,以防止质量低下的hashCode()函数实现。由于hashMap的支撑数组长度总是 2 的倍数,通过右移可以使低位的数据尽量的不同,从而使Key的hash值的分布尽量均匀;

  • 使用 indexFor() 方法进行取余运算,以使Entry对象的插入位置尽量分布均匀(下文将专门对此阐述)。

对于取余运算,我们首先想到的是:哈希值%length = bucketIndex。但当底层数组的length为2的n次方时, h&(length – 1) 就相当于对length取模,而且速度比直接取模快得多,这是HashMap在速度上的一个优化。除此之外,HashMap 的底层数组长度总是2的n次方的主要原因是什么呢?我们借助于 chenssy 在其博客《java提高篇(二三)—–HashMap》 中的关于这个问题的阐述:

  这里,我们假设length分别为16(2^4) 和 15,h 分别为 5、6、7。

                这里写图片描述

  我们可以看到,当n=15时,6和7的结果一样,即它们位于table的同一个桶中,也就是产生了碰撞,6、7就会在这个桶中形成链表,这样就会导致查询速度降低。诚然这里只分析三个数字不是很多,那么我们再看 h 分别取 0-15时的情况。

                ![底层数组的长度2.jpg-71.5kB][9]

  从上面的图表中我们可以看到,当 length 为15时总共发生了8次碰撞,同时发现空间浪费非常大,因为在 1、3、5、7、9、11、13、15 这八处没有存放数据。这是因为hash值在与14(即 1110)进行&运算时,得到的结果最后一位永远都是0,即 0001、0011、0101、0111、1001、1011、1101、1111位置处是不可能存储数据的。这样,空间的减少会导致碰撞几率的进一步增加,从而就会导致查询速度慢。

  而当length为16时,length – 1 = 15, 即 1111,那么,在进行低位&运算时,值总是与原来hash值相同,而进行高位运算时,其值等于其低位值。所以,当 length=2^n 时,不同的hash值发生碰撞的概率比较小,这样就会使得数据在table数组中分布较均匀,查询速度也较快。


 因此,总的来说,HashMap 的底层数组长度总是2的n次方的原因有两个,即当 length=2^n 时:

  • 不同的hash值发生碰撞的概率比较小,这样就会使得数据在table数组中分布较均匀,空间利用率较高,查询速度也较快;

  • h&(length – 1) 就相当于对length取模,而且在速度、效率上比直接取模要快得多,即二者是等价不等效的,这是HashMap在速度和效率上的一个优化。


七. 更多

  HashMap 的直接子类LinkedHashMap继承了HashMap的所用特性,并且还通过额外维护一个双向链表保持了有序性, 通过对比LinkedHashMap和HashMap的实现有助于更好的理解HashMap。关于LinkedHashMap的更多介绍,请参见我的另一篇博文《Map 综述(二):彻头彻尾理解 LinkedHashMap》,欢迎指正~

 更多关于哈希(Hash)和equals方法的介绍,请移步我的博文《Java 中的 ==, equals 与 hashCode 的区别与联系》

 更多关于 Java SE 进阶 方面的内容,请关注我的专栏 《Java SE 进阶之路》。本专栏主要研究Java基础知识、Java源码和设计模式,从初级到高级不断总结、剖析各知识点的内在逻辑,贯穿、覆盖整个Java知识面,在一步步完善、提高把自己的同时,把对Java的所学所思分享给大家。万丈高楼平地起,基础决定你的上限,让我们携手一起勇攀Java之巅…


引用

java中HashMap详解
java提高篇(二三)—–HashMap

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