1. 前言
集合是Java基础中非常重要的一部分, 也是日常中用到非常多的类, 这篇博客主要记录集合HashMap相关的知识.
2. HashMap
2.1 概述
HashMap 是用于映射(键值对)处理的数据类型, 基于哈希表的 Map 接口的非同步实现, 允许插入最多一条key为null的记录, 允许插入多条value为null的记录. 此外, HashMap 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, 因此在不同时间段迭代同一个 HashMap 的顺序可能会不同. HashMap 非线程安全, 即任一时刻有多个线程同时写 HashMap 的话可能会导致数据的不一致.
HashMap 实际上是数组+链表+红黑树的结合体, 其底层包含一个数组, 数组中的每一项元素的可能值有四种: null, 单独一个结点, 链表, 红黑树(JDK1.8 开始 HashMap 通过使用红黑树来提高元素查找效率).当往 HashMap 中 put 元素的时候, 需要先根据 key 的哈希值得到该元素在数组中的位置(即下标), 如果该位置上已经存放有其他元素了, 那么在这个位置上的元素将以链表或者红黑树的形式来存放, 如果该位置上没有元素, 就直接向该位置存放元素.
HashMap 要求映射中的 key 是不可变对象,即要求该对象在创建后它的哈希值不会被改变,否则 Map 对象很可能就定位不到映射的位置了.
2.2 类声明
1 | public class HashMap<K, V> extends AbstractMap<K, V> |
2.3 常量
HashMap 中声明的常量有以下几个, 其中需要特别关注的是装载因子 DEFAULT_LOAD_FACTOR 和 TREEIFY_THRESHOLD.
装载因子用于规定数组在自动扩容之前可以数据占有其容量的最高比例, 即当数据量占有数组的容量达到这个比例后, 数组将自动扩容. 装载因子衡量的是一个散列表的空间的使用程度, 装载因子越大表示散列表的装填程度越高, 反之愈小. 因此如果装载因子越大, 则对空间的利用程度更高, 相对应的是查找效率的降低. 如果装载因子太小, 那么数组的数据将过于稀疏, 对空间的利用率低, 官方默认的装载因子为0.75, 是平衡空间利用率和运行效率两者之后的结果. 如果在实际情况中, 内存空间较多而对时间效率要求很高, 可以选择降低装载因子的值; 如果内存空间紧张而对时间效率要求不高, 则可以选择提高装载因子的值.
此外, 即使装载因子和哈希算法设计得再合理, 也不免会出现由于哈希冲突导致链表长度过长的情况, 这将严重影响 HashMap 的性能. 为了优化性能, 从 JDK1.8 开始引入了红黑树, 当链表长度超出 TREEIFY_THRESHOLD 规定的值时, 链表就会被转换为红黑树, 利用红黑树快速增删改查的特点以提高 HashMap 的性能.
1 | //序列化ID |
2.4 成员变量
1 | //哈希桶数组,在第一次使用时才初始化 |
2.5 构造函数
1 | //设置Map的初始化大小和装载因子 |
2.6 结点类
1 | //结点 |
2.7 哈希算法
在查询, 添加和移除键值对时, 定位到哈希桶数组的指定位置都是很关键的第一步, 只有 HashMap 中的元素尽量分布均匀, 才能在定位键值对时快速地查找到相应位置, 避免频繁地去遍历链表或者红黑树, 这就需要依靠于一个比较好的哈希算法了.
以下是 HashMap 中计算 key 值的哈希值以及根据哈希值获取其在哈希桶数组中位置的算法.
1 | //计算哈希值 |
确定键值对在哈希桶数组的位置的步骤分为三步: 计算 key 的 hashCode(h = key.hashCode()), 高位运算(h >>> 16)、取模运算((n - 1) & hash)
2.8 插入数据
在上边说过, HashMap 是数组+链表+红黑树的结合, 数组包含的元素的可能值分为四种类型: null, 单个结点, 链表, 红黑树. 在插入结点时(每一个待存数据都会被包装为结点对象), 会根据待插入 Key 的哈希值来决定结点在数组中的位置, 如果计算得出的位置此时包含的元素为 null , 则直接将结点存入该位置, 如果不为 null , 则说明发生了哈希碰撞, 此时就需要将结点插入到链表或者是红黑树中. 当哈希算法的计算结果越分散均匀, 哈希碰撞的概率就越小, map 的存取效率就会越高.
如果待插入结点的 key 与链表或红黑树中某个已有结点的 key 相等(hash 值相等且两者 equals 成立), 则新添加的结点将覆盖原有数据.
插入数据对应的是 put(K key, V value) 方法.
1 | //插入数据 |
2.9 读取数据
读取数据对应的是 get(Object key)方法
1 | //根据 key 值获取 Value |
2.10 移除结点
从 Map 中移除键值对的操作, 在底层数据结构的体现就是移除对某个结点对象的引用, 可能是从数组中, 也可能是链表或者红黑树.
1 | public V remove(Object key) { |
2.11 扩容
如果哈希桶数组很大, 即使用的是较差的哈希算法元素也会比较分散, 如果哈希桶数组很小, 即使用的是好的哈希算法也会出现较多哈希碰撞的情况, 所以就需要在空间成本和时间成本之间权衡, 除了设计较好的哈希算法以减少哈希冲突外, 也需要在合适的的时机对哈希桶数组进行必要的扩容.
当 HashMap 中的元素越来越多时, 因为数组的长度是固定的, 所以哈希冲突的几率也就越来越高, 为了提高效率, 此时就需要对 HashMap 中的数组进行扩容, 而扩容操作最消耗性能的地方就在于: 原数组中的数据必须重新计算其在新数组中的位置并存放到新数组中.
那么 HashMap 扩容操作的触发时机是什么时候呢? 当 HashMap 中的元素个数超出 threshold 时(数组容量 与 loadFactor 的乘积), 就会进行数组扩容. 默认情况下, 数组的默认值为 16, loadFactor 的默认值为 0.75, 这是平衡空间利用率和运行效率两者之后的结果. 也就是说, 假设数组当前大小为16, loadFactor 值为0.75, 那么当 HashMap 中的元素个数达到12个时, 就会自动触发扩容操作, 把数组的大小扩充到 2 * 16 = 32, 即扩大一倍, 然后重新计算每个元素在新数组中的位置, 而这是一个非常消耗性能的操作, 所以如果已经预知到待存入 HashMap 的数据量, 那么在初始化 HashMap 时直接指定初始化大小会是一种更为高效的做法.
更改: 那么 HashMap 扩容操作的触发时机是什么时候呢?
同时满足下面的两个条件:
1. 存放新值的时候当前已有元素的个数必须大于等于阈值
2. 存放新值的时候当前存放数据发生hash碰撞(当前key计算的hash值换算出来的数组下标位置已经存在值)
扩容操作对应的是 resize()方法
2.11.1 JDK1.8引入的扩容巧妙设计
经过rehash之后, 元素的位置要么是在原位置, 要么是在原位置再移动2次幂的位置.
图(a)表示扩容前的key1和key2两种key确定索引位置的示例;
图(b)表示扩容后key1和key2两种key确定索引位置的示例, 其中hash1是key1对应的哈希与高位运算结果.
元素在重新计算hash之后, 因为n变为2倍, 那么n-1的mask范围在高位多1bit(红色), 因此新的index就会发生这样的变化
因此, 我们在扩充HashMap的时候, 不需要像JDK1.7的实现那样重新计算hash, 只需要看看原来的hash值新增的那个bit是1还是0就好了, 是0的话索引没变, 是1的话索引变成”原索引+oldCap”, 可以看看下图为16扩充为32的resize示意图:
这个设计确实非常的巧妙, 既省去了重新计算hash值的时间, 而且同时, 由于新增的1bit是0还是1可以认为是随机的, 因此resize的过程, 均匀的把之前的冲突的节点分散到新的bucket了. 这一块就是JDK1.8新增的优化点.
有一点注意区别, JDK1.7中rehash的时候, 旧链表迁移新链表的时候, 如果在新表的数组索引位置相同, 则链表元素会倒置, 但是从上图可以看出, JDK1.8不会倒置.
2.11.2 resize源码解读
1 | final Node<K, V>[] resize() { |
2.12 效率测试
这里来测试下不同的初始化大小以及 key 值的 HashCode 值的分布情况的不同对 HashMap 效率的影响
首先来定义作为 Key 的类, hashCode() 方法直接返回其包含的属性 value
1 | import java.util.Objects; |
初始化大小从 100 到 100000 之间以 10 倍的倍数递增,向 HashMap 存入同等数据量的数据,观察不同 HashMap 存入数据消耗的总时间
1 | import java.util.HashMap; |
运行结果:
1 | 初始化大小是:20 , 所用时间:9毫秒 |
在上述使用的例子中, 各个 Key 对象之间的哈希码值各不相同, 所以键值对在哈希桶数组中的分布可以说是很均匀的了, 此时主要影响性能的就是扩容机制了, 由上图可以看出各个初始化大小对 HashMap 的性能影响还是很大的
接下来再看看各个 Key 对象之间频繁发生哈希冲突时 HashMap 的性能
令 Key 类的 hashCode() 方法固定返回 100, 则每个键值对在存入 HashMap 时, 一定会发生哈希冲突
1 |
|
运行结果:
1 | 初始化大小是:20 , 所用时间:6192毫秒 |
此时主要影响性能的点就在于对哈希冲突的处理了