Java 集合框架 HashSet 和 HashMap 原始碼剖析

總體介紹

之所以把HashSet和HashMap放在一起講解，是因為二者在Java裡有著相同的實現，前者僅僅是對後者做了一層包裝，也就是說HashSet裡面有一個HashMap（介面卡模式）。因此本文將重點分析HashMap。

HashMap實現了Map介面，允許放入null元素，除該類未實現同步外，其餘跟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雜湊，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。

根據對衝突的處理方式不同，雜湊表有兩種實現方式，一種開放地址方式（Open addressing），另一種是衝突連結串列方式（Separate chaining with linked lists）。Java HashMap採用的是衝突連結串列方式。

從上圖容易看出，如果選擇合適的雜湊函式，put()和get()方法可以在常數時間內完成。但在對HashMap進行迭代時，需要遍歷整個table以及後面跟的衝突連結串列。因此對於迭代比較頻繁的場景，不宜將HashMap的初始大小設的過大。

有兩個引數可以影響HashMap的效能：初始容量（inital capacity）和負載係數（load factor）。初始容量指定了初始table的大小，負載係數用來指定自動擴容的臨界值。當entry的數量超過capacity*load_factor時，容器將自動擴容並重新雜湊。對於插入元素較多的場景，將初始容量設大可以減少重新雜湊的次數。

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()方法決定了物件會被放到哪個bucket裡，當多個物件的雜湊值衝突時，equals()方法決定了這些物件是否是“同一個物件”。所以，如果要將自定義的物件放入到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，該方法呼叫了getEntry(Object key)得到相應的entry，然後返回entry.getValue()。因此getEntry()是演算法的核心。

演算法思想是首先通過hash()函式得到對應bucket的下標，然後依次遍歷衝突連結串列，通過key.equals(k)方法來判斷是否是要找的那個entry。

上圖中hash(k)&(table.length-1)等價於hash(k)%table.length，原因是HashMap要求table.length必須是2的指數，因此table.length-1就是二進位制低位全是1，跟hash(k)相與會將雜湊值的高位全抹掉，剩下的就是餘數了。

//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)];//得到衝突連結串列
         e != null; e = e.next) {//依次遍歷衝突連結串列中的每個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對新增到map裡。該方法首先會對map做一次查詢，看是否包含該元組，如果已經包含則直接返回，查詢過程類似於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。

//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，並重新雜湊
        hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
        bucketIndex = hash & (table.length-1);//hash%table.length
    }
    //在衝突連結串列頭部插入新的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)裡實現的。removeEntryForKey()方法會首先找到key值對應的entry，然後刪除該entry（修改連結串列的相應指標）。查詢過程跟getEntry()過程類似。

//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];//得到衝突連結串列
    Entry<K,V> e = prev;
    while (e != null) {//遍歷衝突連結串列
        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;//刪除的是衝突連結串列的第一個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的函式呼叫都會轉換成合適的HashMap方法，因此HashSet的實現非常簡單，只有不到300行程式碼。這裡不再贅述。

//HashSet是對HashMap的簡單包裝
public class HashSet<E>
{
    ......
    private transient HashMap<E,Object> map;//HashSet裡面有一個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;
    }
    ......
}