hashmap與Hashtable實現原理淺析

許佳佳233發表於2016-11-30
HashMap

原文地址：http://www.cnblogs.com/lzrabbit/p/3721067.html#h1

HashMap和Hashtable的區別

兩者最主要的區別在於Hashtable是執行緒安全，而HashMap則非執行緒安全

Hashtable的實現方法裡面都新增了synchronized關鍵字來確保執行緒同步，因此相對而言HashMap效能會高一些，我們平時使用時若無特殊需求建議使用HashMap，在多執行緒環境下若使用HashMap需要使用Collections.synchronizedMap()方法來獲取一個執行緒安全的集合（Collections.synchronizedMap()實現原理是Collections定義了一個SynchronizedMap的內部類，這個類實現了Map介面，在呼叫方法時使用synchronized來保證執行緒同步,當然了實際上操作的還是我們傳入的HashMap例項，簡單的說就是Collections.synchronizedMap()方法幫我們在操作HashMap時自動新增了synchronized來實現執行緒同步，類似的其它Collections.synchronizedXX方法也是類似原理）

HashMap可以使用null作為key，而Hashtable則不允許null作為key

雖說HashMap支援null值作為key，不過建議還是儘量避免這樣使用，因為一旦不小心使用了，若因此引發一些問題，排查起來很是費事
HashMap以null作為key時，總是儲存在table陣列的第一個節點上

HashMap是對Map介面的實現，HashTable實現了Map介面和Dictionary抽象類

HashMap的初始容量為16，Hashtable初始容量為11，兩者的填充因子預設都是0.75

HashMap擴容時是當前容量翻倍即:capacity*2，Hashtable擴容時是容量翻倍+1即:capacity*2+1

兩者計算hash的方法不同

Hashtable計算hash是直接使用key的hashcode對table陣列的長度直接進行取模

int hash = key.hashCode();
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;

HashMap計算hash對key的hashcode進行了二次hash，以獲得更好的雜湊值，然後對table陣列長度取摸

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);
    }

 static int indexFor(int h, int length) {
        return h & (length-1);
    }

HashMap和Hashtable的底層實現都是陣列+連結串列結構實現

HashSet和HashMap、Hashtable的區別

除開HashMap和Hashtable外，還有一個hash集合HashSet，有所區別的是HashSet不是key value結構，僅僅是儲存不重複的元素，相當於簡化版的HashMap，只是包含HashMap中的key而已

通過檢視原始碼也證實了這一點，HashSet內部就是使用HashMap實現，只不過HashSet裡面的HashMap所有的value都是同一個Object而已，因此HashSet也是非執行緒安全的，至於HashSet和Hashtable的區別，HashSet就是個簡化的HashMap的，所以你懂的
下面是HashSet幾個主要方法的實現

private transient HashMap<E,Object> map;
  private static final Object PRESENT = new Object();

  public HashSet() {
    map = new HashMap<E,Object>();
    }
 public boolean contains(Object o) {
    return map.containsKey(o);
    }
 public boolean add(E e) {
    return map.put(e, PRESENT)==null;
    }
 public boolean add(E e) {
    return map.put(e, PRESENT)==null;
    }
 public boolean remove(Object o) {
    return map.remove(o)==PRESENT;
    }


 public void clear() {
    map.clear();
    }

HashMap和Hashtable的實現原理

HashMap和Hashtable的底層實現都是陣列+連結串列結構實現的，這點上完全一致

新增、刪除、獲取元素時都是先計算hash，根據hash和table.length計算index也就是table陣列的下標，然後進行相應操作，下面以HashMap為例說明下它的簡單實現

 /**
     * HashMap的預設初始容量 必須為2的n次冪
     */
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;

    /**
     * HashMap的最大容量，可以認為是int的最大值    
     */
    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

    /**
     * 預設的載入因子
     */
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

    /**
     * HashMap用來儲存資料的陣列
     */
    transient Entry[] table;

HashMap的建立

HashMap預設初始化時會建立一個預設容量為16的Entry陣列，預設載入因子為0.75，同時設定臨界值為16*0.75

/**
     * Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the default initial capacity
     * (16) and the default load factor (0.75).
     */
    public HashMap() {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
        threshold = (int)(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);
        table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
        init();
    }

put方法

HashMap會對null值key進行特殊處理，總是放到table[0]位置
put過程是先計算hash然後通過hash與table.length取摸計算index值，然後將key放到table[index]位置，當table[index]已存在其它元素時，會在table[index]位置形成一個連結串列，將新新增的元素放在table[index]，原來的元素通過Entry的next進行連結，這樣以連結串列形式解決hash衝突問題，當元素數量達到臨界值(capactiy*factor)時，則進行擴容，是table陣列長度變為table.length*2

public V put(K key, V value) {
        if (key == null)
            return putForNullKey(value); //處理null值
        int hash = hash(key.hashCode());//計算hash
        int i = indexFor(hash, table.length);//計算在陣列中的儲存位置
    //遍歷table[i]位置的連結串列，查詢相同的key，若找到則使用新的value替換掉原來的oldValue並返回oldValue
        for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
            Object k;
            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;
            }
        }
    //若沒有在table[i]位置找到相同的key，則新增key到table[i]位置，新的元素總是在table[i]位置的第一個元素，原來的元素後移
        modCount++;
        addEntry(hash, key, value, i);
        return null;
    }


    void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    //新增key到table[bucketIndex]位置，新的元素總是在table[bucketIndex]的第一個元素，原來的元素後移
    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
        table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
    //判斷元素個數是否達到了臨界值，若已達到臨界值則擴容，table長度翻倍
        if (size++ >= threshold)
            resize(2 * table.length);
    }

get方法

同樣當key為null時會進行特殊處理，在table[0]的連結串列上查詢key為null的元素
get的過程是先計算hash然後通過hash與table.length取摸計算index值，然後遍歷table[index]上的連結串列，直到找到key，然後返回

public V get(Object key) {
        if (key == null)
            return getForNullKey();//處理null值
        int hash = hash(key.hashCode());//計算hash
    //在table[index]遍歷查詢key，若找到則返回value，找不到返回null
        for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];
             e != null;
             e = e.next) {
            Object k;
            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))
                return e.value;
        }
        return null;
    }

remove方法

remove方法和put get類似，計算hash，計算index，然後遍歷查詢，將找到的元素從table[index]連結串列移除

public V remove(Object key) {
        Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);
        return (e == null ? null : e.value);
    }
    final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {
        int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());
        int i = indexFor(hash, table.length);
        Entry<K,V> prev = table[i];
        Entry<K,V> e = prev;

        while (e != null) {
            Entry<K,V> next = e.next;
            Object k;
            if (e.hash == hash &&
                ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
                modCount++;
                size--;
                if (prev == e)
                    table[i] = next;
                else
                    prev.next = next;
                e.recordRemoval(this);
                return e;
            }
            prev = e;
            e = next;
        }

        return e;
    }

resize方法

resize方法在hashmap中並沒有公開，這個方法實現了非常重要的hashmap擴容，具體過程為：先建立一個容量為table.length*2的新table，修改臨界值，然後把table裡面元素計算hash值並使用hash與table.length*2重新計算index放入到新的table裡面
這裡需要注意下是用每個元素的hash全部重新計算index，而不是簡單的把原table對應index位置元素簡單的移動到新table對應位置

void resize(int newCapacity) {
        Entry[] oldTable = table;
        int oldCapacity = oldTable.length;
        if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return;
        }

        Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
        transfer(newTable);
        table = newTable;
        threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
    }

    void transfer(Entry[] newTable) {
        Entry[] src = table;
        int newCapacity = newTable.length;
        for (int j = 0; j < src.length; j++) {
            Entry<K,V> e = src[j];
            if (e != null) {
                src[j] = null;        
                do {
                    Entry<K,V> next = e.next;
                    //重新對每個元素計算index
                    int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
                    e.next = newTable[i];
                    newTable[i] = e;
                    e = next;
                } while (e != null);
            }
        }
    }

clear()方法

clear方法非常簡單，就是遍歷table然後把每個位置置為null，同時修改元素個數為0
需要注意的是clear方法只會清楚裡面的元素，並不會重置capactiy

public void clear() {
        modCount++;
        Entry[] tab = table;
        for (int i = 0; i < tab.length; i++)
            tab[i] = null;
        size = 0;
    }

containsKey和containsValue

containsKey方法是先計算hash然後使用hash和table.length取摸得到index值，遍歷table[index]元素查詢是否包含key相同的值

public boolean containsKey(Object key) {
        return getEntry(key) != null;
    }
final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
        int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());
        for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];
             e != null;
             e = e.next) {
            Object k;
            if (e.hash == hash &&
                ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                return e;
        }
        return null;
    }

containsValue方法就比較粗暴了，就是直接遍歷所有元素直到找到value，由此可見HashMap的containsValue方法本質上和普通陣列和list的contains方法沒什麼區別，你別指望它會像containsKey那麼高效

public boolean containsValue(Object value) {
    if (value == null)
            return containsNullValue();

    Entry[] tab = table;
        for (int i = 0; i < tab.length ; i++)
            for (Entry e = tab[i] ; e != null ; e = e.next)
                if (value.equals(e.value))
                    return true;
    return false;
    }

hash和indexFor

indexFor中的h & (length-1)就相當於h%length，用於計算index也就是在table陣列中的下標
hash方法是對hashcode進行二次雜湊，以
獲得更好的雜湊值
為了更好理解這裡我們可以把這兩個方法簡化為 int index= key.hashCode()/table.length,以put中的方法為例可以這樣替換

int hash = hash(key.hashCode());//計算hash
int i = indexFor(hash, table.length);//計算在陣列中的儲存位置
//上面這兩行可以這樣簡化
int i = key.key.hashCode()%table.length;
  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);
    }


    static int indexFor(int h, int length) {
        return h & (length-1);
    }

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