Java HashMap的工作原理

副标题#e# 面试的时候经常会遇见诸如:“java中的HashMap是怎么工作的”,“HashMap的get和put内部的工作原理”这样的问题。本文将用一个简单的例子来解释下HashMap内部的工作原理。首先我们从一个例子开始,而不仅仅是从理论上,这样,有助于更好地理解,

副标题#e#

面试的时候经常会遇见诸如:“java中的HashMap是怎么工作的”,“HashMap的get和put内部的工作原理”这样的问题。本文将用一个简单的例子来解释下HashMap内部的工作原理。首先我们从一个例子开始,而不仅仅是从理论上,这样,有助于更好地理解,然后,我们来看下get和put到底是怎样工作的。

我们来看个非常简单的例子。有一个”国家”(Country)类,我们将要用Country对象作为key,它的首都的名字(String类型)作为value。下面的例子有助于我们理解key-value对在HashMap中是如何存储的。

1.?Country.java

<span class="hljs-keyword">long population;

<span class="hljs-function"><span class="hljs-keyword"><span class="hljs-function"><span class="hljs-keyword">public<span class="hljs-function"> <span class="hljs-title"><span class="hljs-function"><span class="hljs-title">Country<span class="hljs-params"><span class="hljs-function"><span class="hljs-params">(String name,<span class="hljs-keyword"><span class="hljs-function"><span class="hljs-params"><span class="hljs-keyword">long<span class="hljs-function"><span class="hljs-params"> population)<span class="hljs-function"> {
<span class="hljs-keyword">super();
<span class="hljs-keyword">this.name = name;
<span class="hljs-keyword">this.population = population;
}
<span class="hljs-function"><span class="hljs-keyword"><span class="hljs-function"><span class="hljs-keyword">public<span class="hljs-function"> String <span class="hljs-title"><span class="hljs-function"><span class="hljs-title">getName<span class="hljs-params"><span class="hljs-function"><span class="hljs-params">()<span class="hljs-function"> {
<span class="hljs-keyword">return name;
}
<span class="hljs-function"><span class="hljs-keyword"><span class="hljs-function"><span class="hljs-keyword">public<span class="hljs-function"> <span class="hljs-keyword"><span class="hljs-function"><span class="hljs-keyword">void<span class="hljs-function"> <span class="hljs-title"><span class="hljs-function"><span class="hljs-title">setName<span class="hljs-params"><span class="hljs-function"><span class="hljs-params">(String name)<span class="hljs-function"> {
<span class="hljs-keyword">this.name = name;
}
<span class="hljs-function"><span class="hljs-keyword"><span class="hljs-function"><span class="hljs-keyword">public<span class="hljs-function"> <span class="hljs-keyword"><span class="hljs-function"><span class="hljs-keyword">long<span class="hljs-function"> <span class="hljs-title"><span class="hljs-function"><span class="hljs-title">getPopulation<span class="hljs-params"><span class="hljs-function"><span class="hljs-params">()<span class="hljs-function"> {
<span class="hljs-keyword">return population;
}
<span class="hljs-function"><span class="hljs-keyword"><span class="hljs-function"><span class="hljs-keyword">public<span class="hljs-function"> <span class="hljs-keyword"><span class="hljs-function"><span class="hljs-keyword">void<span class="hljs-function"> <span class="hljs-title"><span class="hljs-function"><span class="hljs-title">setPopulation<span class="hljs-params"><span class="hljs-function"><span class="hljs-params">(<span class="hljs-keyword"><span class="hljs-function"><span class="hljs-params"><span class="hljs-keyword">long<span class="hljs-function"><span class="hljs-params"> population)<span class="hljs-function"> {
<span class="hljs-keyword">this.population = population;
}

<span class="hljs-comment">// If length of name in country object is even then return 31(any random number) and if odd then return 95(any random number).
<span class="hljs-comment">// This is not a good practice to generate hashcode as below method but I am doing so to give better and easy understanding of hashmap.
<span class="hljs-meta">@Override
<span class="hljs-function"><span class="hljs-keyword"><span class="hljs-function"><span class="hljs-keyword">public<span class="hljs-function"> <span class="hljs-keyword"><span class="hljs-function"><span class="hljs-keyword">int<span class="hljs-function"> <span class="hljs-title"><span class="hljs-function"><span class="hljs-title">hashCode<span class="hljs-params"><span class="hljs-function"><span class="hljs-params">()<span class="hljs-function"> {
<span class="hljs-keyword">if(<span class="hljs-keyword">this.name.length()%<span class="hljs-number">2==<span class="hljs-number">0)
<span class="hljs-keyword">return <span class="hljs-number">31;
<span class="hljs-keyword">else
<span class="hljs-keyword">return <span class="hljs-number">95;
}
<span class="hljs-meta">@Override
<span class="hljs-function"><span class="hljs-keyword"><span class="hljs-function"><span class="hljs-keyword">public<span class="hljs-function"> <span class="hljs-keyword"><span class="hljs-function"><span class="hljs-keyword">boolean<span class="hljs-function"> <span class="hljs-title"><span class="hljs-function"><span class="hljs-title">equals<span class="hljs-params"><span class="hljs-function"><span class="hljs-params">(Object obj)<span class="hljs-function"> {

#p#副标题#e##p#分页标题#e#

Country other = (Country) obj;
<span class="hljs-keyword">if (name.equalsIgnoreCase((other.name)))
<span class="hljs-keyword">return <span class="hljs-keyword">true;
<span class="hljs-keyword">return <span class="hljs-keyword">false;
}

}

2. HashMapStructure.java(main class)

<span class="hljs-comment"&gt;/**
 * @author Arpit Mandliya
 */
<span class="hljs-keyword"&gt;public <span class="hljs-keyword"&gt;static <span class="hljs-built_in"&gt;void main(<span class="hljs-built_in"&gt;String[] args) {

    Country india=<span class="hljs-keyword"&gt;new Country(<span class="hljs-string"&gt;"India",<span class="hljs-number"&gt;1000);
    Country japan=<span class="hljs-keyword"&gt;new Country(<span class="hljs-string"&gt;"Japan",<span class="hljs-number"&gt;10000);

    Country france=<span class="hljs-keyword"&gt;new Country(<span class="hljs-string"&gt;"France",<span class="hljs-number"&gt;2000);
    Country russia=<span class="hljs-keyword"&gt;new Country(<span class="hljs-string"&gt;"Russia",<span class="hljs-number"&gt;20000);

    HashMap<country,<span class="hljs-built_in"&gt;string> countryCapitalMap=<span class="hljs-keyword"&gt;new HashMap<country,<span class="hljs-built_in"&gt;string>();
    countryCapitalMap.put(india,<span class="hljs-string"&gt;"Delhi");
    countryCapitalMap.put(japan,<span class="hljs-string"&gt;"Tokyo");
    countryCapitalMap.put(france,<span class="hljs-string"&gt;"Paris");
    countryCapitalMap.put(russia,<span class="hljs-string"&gt;"Moscow");

    Iterator<country> countryCapitalIter=countryCapitalMap.keySet().iterator();<span class="hljs-comment"&gt;//put debug point at this line
    <span class="hljs-keyword"&gt;while(countryCapitalIter.hasNext())
    {
        Country countryObj=countryCapitalIter.next();
        <span class="hljs-built_in"&gt;String capital=countryCapitalMap.get(countryObj);
        System.out.println(countryObj.getName()+<span class="hljs-string"&gt;"----"+capital);
        }
    }

}

现在,在第23行设置一个断点,在项目上右击->调试运行(debug as)->java应用(java application)。程序会停在23行,然后在countryCapitalMap上右击,选择“查看”(watch)。将会看到如下的结构:

Java HashMap的工作原理

从上图可以观察到以下几点:

1. 有一个叫做table大小是16的Entry数组。

2. 这个table数组存储了Entry类的对象。HashMap类有一个叫做Entry的内部类。这个Entry类包含了key-value作为实例变量。我们来看下Entry类的结构。Entry类的结构:


3. 每当往hashmap里面存放key-value对的时候,都会为它们实例化一个Entry对象,这个Entry对象就会存储在前面提到的Entry数组table中。现在你一定很想知道,上面创建的Entry对象将会存放在具体哪个位置(在table中的精确位置)。答案就是,根据key的hashcode()方法计算出来的hash值(来决定)。hash值用来计算key在Entry数组的索引。

4. 现在,如果你看下上图中数组的索引10,它有一个叫做HashMap$Entry的Entry对象。

5. 我们往hashmap放了4个key-value对,但是看上去好像只有2个元素!!!这是因为,如果两个元素有相同的hashcode,它们会被放在同一个索引上。问题出现了,该怎么放呢?原来它是以链表(LinkedList)的形式来存储的(逻辑上)。

上面的country对象的key-value的hash值是如何计算出来的。

Japan的Hash值是95,它的长度是奇数。?India的Hash值是95,它的长度是奇数。?Russia的Hash值是31,它的长度是偶数。?France,它的长度是偶数。??

下图会清晰的从概念上解释下链表。

Java HashMap的工作原理

所以,现在假如你已经很好地了解了hashmap的结构,让我们看下put和get方法。

Put :

#p#副标题#e##p#分页标题#e#

让我们看下put方法的实现:

,or null
  *         if there was no mapping for key. (A null return
  *         can also indicate that the map previously associated
  *         null with key.)
  */
  e = table[i]; e != modCount++;
addEntry(hash,key,<span class="hljs-keyword">value,i);
<span class="hljs-keyword">return <span class="hljs-literal">null;
}

现在我们一步一步来看下上面的代码。

  1. 对key做null检查。如果key是null,会被存储到table[0],因为null的hash值总是0。
  2. key的hashcode()方法会被调用,然后计算hash值。hash值用来找到存储Entry对象的数组的索引。有时候hash函数可能写的很不好,所以JDK的设计者添加了另一个叫做hash()的方法,它接收刚才计算的hash值作为参数。
  3. indexFor(hash,table.length)用来计算在table数组中存储Entry对象的精确的索引。
  4. 在我们的例子中已经看到,如果两个key有相同的hash值(也叫冲突),他们会以链表的形式来存储。所以,这里我们就迭代链表。
  • 如果在刚才计算出来的索引位置没有元素,直接把Entry对象放在那个索引上。
  • 如果索引上有元素,然后会进行迭代,一直到Entry->next是null。当前的Entry对象变成链表的下一个节点。
  • 如果我们再次放入同样的key会怎样呢?逻辑上,它应该替换老的value。事实上,它确实是这么做的。在迭代的过程中,会调用equals()方法来检查key的相等性(key.equals(k)),如果这个方法返回true,它就会用当前Entry的value来替换之前的value。

Get:

现在我们来看下get方法的实现:

  * A return value of {necessarily indicate that
  * the map contains no mapping for the key; it's also possible that the map
  * explicitly maps the key to { e = table[indexFor(hash,table.length)]; e != 

当你理解了hashmap的put的工作原理,理解get的工作原理就非常简单了。当你传递一个key从hashmap总获取value的时候:

  1. 对key进行null检查。如果key是null,table[0]这个位置的元素将被返回。
  2. key的hashcode()方法被调用,然后计算hash值。
  3. indexFor(hash,table.length)用来计算要获取的Entry对象在table数组中的精确的位置,使用刚才计算的hash值。
  4. 在获取了table数组的索引之后,会迭代链表,调用equals()方法检查key的相等性,如果equals()方法返回true,get方法返回Entry对象的value,否则,返回null。

要牢记以下关键点:

  • HashMap有一个叫做Entry的内部类,它用来存储key-value对。
  • 上面的Entry对象是存储在一个叫做table的Entry数组中。
  • table的索引在逻辑上叫做“桶”(bucket),它存储了链表的第一个元素。
  • key的hashcode()方法用来找到Entry对象所在的桶。
  • 如果两个key有相同的hash值,他们会被放在table数组的同一个桶里面。
  • key的equals()方法用来确保key的唯一性。
  • value对象的equals()和hashcode()方法根本一点用也没有。

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