Java HashMap的工作原理

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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

public class Country {

    String name;

    long population;

    public Country(String name, long population) {

        super();

        this.name = name;

        this.population = population;

    }

    public String getName() {

        return name;

    }

    public void setName(String name) {

        this.name = name;

    }

    public long getPopulation() {

        return population;

    }

    public void setPopulation(long population) {

        this.population = population;

    }

    // If length of name in country object is even then return 31(any random

    // number) and if odd then return 95(any random number).

    // 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.

    @Override

    public int hashCode() {

        if (this.name.length() % 2 == 0)

            return 31;

        else

            return 95;

    }

    @Override

    public boolean equals(Object obj) {

        Country other = (Country) obj;

        if (name.equalsIgnoreCase((other.name)))

            return true;

        return false;

    }

}

2. HashMapStructure.java(main class)

import java.util.HashMap;

import java.util.Iterator;

public class HashMapStructure {

	/**

	 * @author Arpit Mandliya

	 */

	public static void main(String[] args) {

		Country india = new Country("India", 1000);

		Country japan = new Country("Japan", 10000);

		Country france = new Country("France", 2000);

		Country russia = new Country("Russia", 20000);

		HashMap<Country, String> countryCapitalMap = new HashMap<Country, String>();

		countryCapitalMap.put(india, "Delhi");

		countryCapitalMap.put(japan, "Tokyo");

		countryCapitalMap.put(france, "Paris");

		countryCapitalMap.put(russia, "Moscow");

		Iterator<Country> countryCapitalIter = countryCapitalMap.keySet().iterator();// put debug point at this line

		while (countryCapitalIter.hasNext()) {

			Country countryObj = countryCapitalIter.next();

			String capital = countryCapitalMap.get(countryObj);

			System.out.println(countryObj.getName() + "----" + capital);

		}

	}

}

现在，在第21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：

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：

static class Entry implements Map.Entry

{

        final K key;

        V value;

        Entry next;

        final int hash;

        ...//More code goes here

}

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。

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。

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的Hash值是31，它的长度是偶数。

下图会清晰的从概念上解释下链表。

链表：hash、key、next(hash、key、next(...)、value)、value

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 :

让我们看下put方法的实现：

/**

  * Associates the specified value with the specified key in this map. If the

  * map previously contained a mapping for the key, the old value is

  * replaced.

  *

  * @param key

  *            key with which the specified value is to be associated

  * @param value

  *            value to be associated with the specified key

  * @return the previous value associated with <tt>key</tt>, or <tt>null</tt>

  *         if there was no mapping for <tt>key</tt>. (A <tt>null</tt> return

  *         can also indicate that the map previously associated

  *         <tt>null</tt> with <tt>key</tt>.)

  */

public V put(K key, V value) {

	if (key == null)

		return putForNullKey(value);

	int hash = hash(key.hashCode());

	int i = indexFor(hash, table.length);

	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;

		}

	}

	modCount++;

	addEntry(hash, key, value, i);

	return 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：

/**

 * Returns the value to which the specified key is mapped, or {@code null}

 * if this map contains no mapping for the key.

 *

 * <p>

 * More formally, if this map contains a mapping from a key {@code k} to a

 * value {@code v} such that {@code (key==null ? k==null :

 * key.equals(k))}, then this method returns {@code v}; otherwise it returns

 * {@code null}. (There can be at most one such mapping.)

 *

 * </p>

 * <p>

 * A return value of {@code null} does not <i>necessarily</i> indicate that

 * the map contains no mapping for the key; it's also possible that the map

 * explicitly maps the key to {@code null}. The {@link #containsKey

 * containsKey} operation may be used to distinguish these two cases.

 *

 * @see #put(Object, Object)

 */

public V get(Object key) {

	if (key == null)

		return getForNullKey();

	int hash = 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.equals(k)))

			return e.value;

	}

	return null;

}