Java集合框架源码剖析:HashSet 和 HashMap

总体介绍

之所以把HashSetHashMap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

HashMap_base

从上图容易看出,如果选择合适的哈希函数,put()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HashMapHashSet中时,有两个方法需要特别关心:hashCode()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HashMapHashSet中,需要@Override hashCode()equals()方法。

方法剖析

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

HashMap_getEntry

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。

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

HashMap_addEntry

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。

HashMap_removeEntryForKey

HashSet

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。

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关于作者:CarpenterLee

中国科学院计算技术研究所在读硕士,从事高性能计算、大数据等领域。 个人主页 · 我的文章 · 7 ·    

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