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java中hashmap的实现原理是什么？_javahashmap原理

作者：我家小花儿 | 2024-03-21 19:47:00

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javahashmap原理

HashMap 的实现原理

一、HashMap 概述

HashMap 是基于哈希表的 Map 接口的非同步实现。此实现提供所有可选的映射操作，并允许使用 null 值和 null 键。此类不保证映射的顺序，特别是它不保证该顺序恒久不变。

此实现假定哈希函数将元素适当地分布在各桶之间，可为基本操作（get 和 put）提供稳定的性能。迭代 collection 视图所需的时间与 HashMap 实例的“容量”（桶的数量）及其大小（键-值映射关系数）成比例。所以，如果迭代性能很重要，则不要将初始容量设置得太高或将加载因子设置得太低。也许大家开始对这段话有一点不太懂，不过不用担心，当你读完这篇文章后，就能深切理解这其中的含义了。

需要注意的是：Hashmap 不是同步的，如果多个线程同时访问一个 HashMap，而其中至少一个线程从结构上（指添加或者删除一个或多个映射关系的任何操作）修改了，则必须保持外部同步，以防止对映射进行意外的非同步访问。

二、HashMap 的数据结构

在 Java 编程语言中，最基本的结构就是两种，一个是数组，另外一个是指针（引用），HashMap 就是通过这两个数据结构进行实现。HashMap实际上是一个“链表散列”的数据结构，即数组和链表的结合体。

我们可以看到在 HashMap 中要找到某个元素，需要根据 key 的 hash 值来求得对应数组中的位置。如何计算这个位置就是 hash 算法。前面说过 HashMap 的数据结构是数组和链表的结合，所以我们当然希望这个 HashMap 里面的 元素位置尽量的分布均匀些，尽量使得每个位置上的元素数量只有一个，那么当我们用 hash 算法求得这个位置的时候，马上就可以知道对应位置的元素就是我们要的，而不用再去遍历链表，这样就大大优化了查询的效率。

对于任意给定的对象，只要它的 hashCode() 返回值相同，那么程序调用 hash(int h) 方法所计算得到的 hash 码值总是相同的。我们首先想到的就是把 hash 值对数组长度取模运算，这样一来，元素的分布相对来说是比较均匀的。但是，“模”运算的消耗还是比较大的，在 HashMap 中是这样做的：调用 indexFor(int h, int length) 方法来计算该对象应该保存在 table 数组的哪个索引处。indexFor(int h, int length) 方法的代码如下：

从上图中可以看出，HashMap 底层就是一个数组结构，数组中的每一项又是一个链表。当新建一个 HashMap 的时候，就会初始化一个数组。

我们通过 JDK 中的 HashMap 源码进行一些学习，首先看一下构造函数：

  1. public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
  2.         if (initialCapacity < 0)
  3.             throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
  4.                                                initialCapacity);
  5.         if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
  6.             initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
  7.         if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
  8.             throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
  9.                                                loadFactor);
  10.  
  11.         // Find a power of 2 >= initialCapacity
  12.         int capacity = 1;
  13.         while (capacity < initialCapacity)
  14.             capacity <<= 1;
  15.  
  16.         this.loadFactor = loadFactor;
  17.         threshold = (int)Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
  18.         table = new Entry[capacity];
  19.         useAltHashing = sun.misc.VM.isBooted() &&
  20.                 (capacity >= Holder.ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD);
  21.         init();
  22. }

我们着重看一下第 18 行代码table = new Entry[capacity];。这不就是 Java 中数组的创建方式吗？也就是说在构造函数中，其创建了一个 Entry 的数组，其大小为 capacity（目前我们还不需要太了解该变量含义），那么 Entry 又是什么结构呢？看一下源码：

  1. static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
  2.     final K key;
  3.     V value;
  4.     Entry<K,V> next;
  5.     final int hash;
  6.     ……
  7. }

我们目前还是只着重核心的部分，Entry 是一个 static class，其中包含了 key 和 value，也就是键值对，另外还包含了一个 next 的 Entry 指针。我们可以总结出：Entry 就是数组中的元素，每个 Entry 其实就是一个 key-value 对，它持有一个指向下一个元素的引用，这就构成了链表。

三、HashMap存储和获取元素特点总结：

数据结构：数组+链表结构

数组每个空间可能会是链表(jdk1.8及以后变成了红黑树<为了查询更快>)

3.1.存入元素： 根据元素key带入hashcode方法中得出hashcode值，再把hashcode值带入到散列函数中计算出数组元素位置。 如果两个元素最终计算的数组元素位置相同就会让这两个元素构成链表(有时链表也叫散列桶)

hashCode()函数：同一个key多次计算得到的是同一个hashcode值

equals比较为true的两个对象，调用hashcode方法生成的hashcode整数值相同。//和上边相同

equals比较为false的两个对象，调用该方法，可能生成相同的整数

3.2.减少链表的产生：

链表产生条件：

1.hash碰撞/hash冲突：  两个对象调用hashcode方法得到相同的hashcode值

2.散列函数：不同的hashcode整数调用散列函数可能生成相同的下标，则会导致产生链表。

解决办法： 超过负载因子/加载因子时(默认是0.75= 允许存储元素个数的最大值/数组长度)，就会扩容HashMap并对所有元素重新存储/重新散列(数组的同一个位置的链表也会被重新弄散列到数组中)，扩容为原来的两倍。(HashMap刚创建默认容量是16，加载因子默认是0.75，所以允许存储元素个数的最大值是12，当需要存储第13个元素时就会触发扩容)
3.1.存入元素： 根据元素key带入hashcode方法中得出hashcode值，再把hashcode值带入到散列函数中计算出数组元素位置。 如果两个元素最终计算的数组元素位置相同就会让这两个元素构成链表(有时链表也叫散列桶)

3.2.根据元素key带入hashcode方法中得出hashcode值，再把hashcode值带入到散列函数中计算出数组元素位置。然后从此位置找到value值返回。

如果在此位置发现了链表就用equals方法挨个比较key，找到k-v然后返回value。

如果在此位置发现了红黑树就用比大小和equals方法找到k-v(红黑树是有顺序的，查找会更快)，返回value

四、HashMap 的核心方法解读

存储

  1. /**
  2.      * Associates the specified value with the specified key in this map.
  3.      * If the map previously contained a mapping for the key, the old
  4.      * value is replaced.
  5.      *
  6.      * @param key key with which the specified value is to be associated
  7.      * @param value value to be associated with the specified key
  8.      * @return the previous value associated with <tt>key</tt>, or
  9.      *         <tt>null</tt> if there was no mapping for <tt>key</tt>.
  10.      *         (A <tt>null</tt> return can also indicate that the map
  11.      *         previously associated <tt>null</tt> with <tt>key</tt>.)
  12.      */
  13. public V put(K key, V value) {
  14.         //其允许存放null的key和null的value，当其key为null时，调用putForNullKey方法，放入到table[0]的这个位置
  15.         if (key == null)
  16.             return putForNullKey(value);
  17.         //通过调用hash方法对key进行哈希，得到哈希之后的数值。该方法实现可以通过看源码，其目的是为了尽可能的让键值对可以分不到不同的桶中
  18.         int hash = hash(key);
  19.         //根据上一步骤中求出的hash得到在数组中是索引i
  20.         int i = indexFor(hash, table.length);
  21.         //如果i处的Entry不为null，则通过其next指针不断遍历e元素的下一个元素。
  22.         for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
  23.             Object k;
  24.             if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
  25.                 V oldValue = e.value;
  26.                 e.value = value;
  27.                 e.recordAccess(this);
  28.                 return oldValue;
  29.             }
  30.         }
  31.  
  32.         modCount++;
  33.         addEntry(hash, key, value, i);
  34.         return null;
  35. }

我们看一下方法的标准注释：在注释中首先提到了，当我们 put 的时候，如果 key 存在了，那么新的 value 会代替旧的 value，并且如果 key 存在的情况下，该方法返回的是旧的 value，如果 key 不存在，那么返回 null。

从上面的源代码中可以看出：当我们往 HashMap 中 put 元素的时候，先根据 key 的 hashCode 重新计算 hash 值，根据 hash 值得到这个元素在数组中的位置（即下标），如果数组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的形式存放，新加入的放在链头，最先加入的放在链尾。如果数组该位置上没有元素，就直接将该元素放到此数组中的该位置上。

addEntry(hash, key, value, i)方法根据计算出的 hash 值，将 key-value 对放在数组 table 的 i 索引处。addEntry 是 HashMap 提供的一个包访问权限的方法，代码如下：

  1. /**
  2.      * Adds a new entry with the specified key, value and hash code to
  3.      * the specified bucket.  It is the responsibility of this
  4.      * method to resize the table if appropriate.
  5.      *
  6.      * Subclass overrides this to alter the behavior of put method.
  7.      */
  8. void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
  9.         if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
  10.             resize(2 * table.length);
  11.             hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
  12.             bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
  13.         }
  14.  
  15.         createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
  16. }
  17. void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
  18.         // 获取指定 bucketIndex 索引处的 Entry
  19.         Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
  20.         // 将新创建的 Entry 放入 bucketIndex 索引处，并让新的 Entry 指向原来的 Entr
  21.         table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
  22.         size++;
  23. }

当系统决定存储 HashMap 中的 key-value 对时，完全没有考虑 Entry 中的 value，仅仅只是根据 key 来计算并决定每个 Entry 的存储位置。我们完全可以把 Map 集合中的 value 当成 key 的附属，当系统决定了 key 的存储位置之后，value 随之保存在那里即可。

hash(int h)方法根据 key 的 hashCode 重新计算一次散列。此算法加入了高位计算，防止低位不变，高位变化时，造成的 hash 冲突。

  1. final int hash(Object k) {
  2.         int h = 0;
  3.         if (useAltHashing) {
  4.             if (k instanceof String) {
  5.                 return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);
  6.             }
  7.             h = hashSeed;
  8.         }
  9.         //得到k的hashcode值
  10.         h ^= k.hashCode();
  11.         //进行计算
  12.         h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
  13.         return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
  14. }

我们可以看到在 HashMap 中要找到某个元素，需要根据 key 的 hash 值来求得对应数组中的位置。如何计算这个位置就是 hash 算法。前面说过 HashMap 的数据结构是数组和链表的结合，所以我们当然希望这个 HashMap 里面的 元素位置尽量的分布均匀些，尽量使得每个位置上的元素数量只有一个，那么当我们用 hash 算法求得这个位置的时候，马上就可以知道对应位置的元素就是我们要的，而不用再去遍历链表，这样就大大优化了查询的效率。

对于任意给定的对象，只要它的 hashCode() 返回值相同，那么程序调用 hash(int h) 方法所计算得到的 hash 码值总是相同的。我们首先想到的就是把 hash 值对数组长度取模运算，这样一来，元素的分布相对来说是比较均匀的。但是，“模”运算的消耗还是比较大的，在 HashMap 中是这样做的：调用 indexFor(int h, int length) 方法来计算该对象应该保存在 table 数组的哪个索引处。indexFor(int h, int length) 方法的代码如下：

  1. /**
  2.      * Returns index for hash code h.
  3.      */
  4. static int indexFor(int h, int length) {  
  5.     return h & (length-1);
  6. }

这个方法非常巧妙，它通过 h & (table.length -1) 来得到该对象的保存位，而 HashMap 底层数组的长度总是 2 的 n 次方，这是 HashMap 在速度上的优化。在 HashMap 构造器中有如下代码：

  1. // Find a power of 2 >= initialCapacity
  2. int capacity = 1;
  3.     while (capacity < initialCapacity)  
  4.         capacity <<= 1;

这段代码保证初始化时 HashMap 的容量总是 2 的 n 次方，即底层数组的长度总是为 2 的 n 次方。

当 length 总是 2 的 n 次方时，h& (length-1)运算等价于对 length 取模，也就是 h%length，但是 & 比 % 具有更高的效率。这看上去很简单，其实比较有玄机的，我们举个例子来说明：

假设数组长度分别为 15 和 16，优化后的 hash 码分别为 8 和 9，那么 & 运算后的结果如下：

h & (table.length-1)hashtable.length-1
8 & (15-1)：0100&1110= 0100
9 & (15-1)：0101&1110= 0100
8 & (16-1)：0100&1111= 0100
9 & (16-1)：0101&1111= 0101

从上面的例子中可以看出：当它们和 15-1（1110）“与”的时候，产生了相同的结果，也就是说它们会定位到数组中的同一个位置上去，这就产生了碰撞，8 和 9 会被放到数组中的同一个位置上形成链表，那么查询的时候就需要遍历这个链 表，得到8或者9，这样就降低了查询的效率。同时，我们也可以发现，当数组长度为 15 的时候，hash 值会与 15-1（1110）进行“与”，那么最后一位永远是 0，而 0001，0011，0101，1001，1011，0111，1101 这几个位置永远都不能存放元素了，空间浪费相当大，更糟的是这种情况中，数组可以使用的位置比数组长度小了很多，这意味着进一步增加了碰撞的几率，减慢了查询的效率！而当数组长度为16时，即为2的n次方时，2n-1 得到的二进制数的每个位上的值都为 1，这使得在低位上&时，得到的和原 hash 的低位相同，加之 hash(int h)方法对 key 的 hashCode 的进一步优化，加入了高位计算，就使得只有相同的 hash 值的两个值才会被放到数组中的同一个位置上形成链表。

所以说，当数组长度为 2 的 n 次幂的时候，不同的 key 算得得 index 相同的几率较小，那么数据在数组上分布就比较均匀，也就是说碰撞的几率小，相对的，查询的时候就不用遍历某个位置上的链表，这样查询效率也就较高了。

根据上面 put 方法的源代码可以看出，当程序试图将一个key-value对放入HashMap中时，程序首先根据该 key 的 hashCode() 返回值决定该 Entry 的存储位置：如果两个 Entry 的 key 的 hashCode() 返回值相同，那它们的存储位置相同。如果这两个 Entry 的 key 通过 equals 比较返回 true，新添加 Entry 的 value 将覆盖集合中原有 Entry 的 value，但key不会覆盖。如果这两个 Entry 的 key 通过 equals 比较返回 false，新添加的 Entry 将与集合中原有 Entry 形成 Entry 链，而且新添加的 Entry 位于 Entry 链的头部——具体说明继续看 addEntry() 方法的说明。

读取

  1. /**
  2.      * Returns the value to which the specified key is mapped,
  3.      * or {@code null} if this map contains no mapping for the key.
  4.      *
  5.      * <p>More formally, if this map contains a mapping from a key
  6.      * {@code k} to a value {@code v} such that {@code (key==null ? k==null :
  7.      * key.equals(k))}, then this method returns {@code v}; otherwise
  8.      * it returns {@code null}.  (There can be at most one such mapping.)
  9.      *
  10.      * <p>A return value of {@code null} does not <i>necessarily</i>
  11.      * indicate that the map contains no mapping for the key; it's also
  12.      * possible that the map explicitly maps the key to {@code null}.
  13.      * The {@link #containsKey containsKey} operation may be used to
  14.      * distinguish these two cases.
  15.      *
  16.      * @see #put(Object, Object)
  17.      */
  18.     public V get(Object key) {
  19.         if (key == null)
  20.             return getForNullKey();
  21.         Entry<K,V> entry = getEntry(key);
  22.         return null == entry ? null : entry.getValue();
  23.     }
  24.     final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
  25.         int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
  26.         for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];
  27.              e != null;
  28.              e = e.next) {
  29.             Object k;
  30.             if (e.hash == hash &&
  31.                 ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
  32.                 return e;
  33.         }
  34.         return null;
  35.     }

有了上面存储时的 hash 算法作为基础，理解起来这段代码就很容易了。从上面的源代码中可以看出：从 HashMap 中 get 元素时，首先计算 key 的 hashCode，找到数组中对应位置的某一元素，然后通过 key 的 equals 方法在对应位置的链表中找到需要的元素。

归纳

简单地说，HashMap 在底层将 key-value 当成一个整体进行处理，这个整体就是一个 Entry 对象。HashMap 底层采用一个 Entry[] 数组来保存所有的 key-value 对，当需要存储一个 Entry 对象时，会根据 hash 算法来决定其在数组中的存储位置，在根据 equals 方法决定其在该数组位置上的链表中的存储位置；当需要取出一个Entry 时，也会根据 hash 算法找到其在数组中的存储位置，再根据 equals 方法从该位置上的链表中取出该Entry。

HashMap 的 resize（rehash）

当 HashMap 中的元素越来越多的时候，hash 冲突的几率也就越来越高，因为数组的长度是固定的。所以为了提高查询的效率，就要对 HashMap 的数组进行扩容，数组扩容这个操作也会出现在 ArrayList 中，这是一个常用的操作，而在 HashMap 数组扩容之后，最消耗性能的点就出现了：原数组中的数据必须重新计算其在新数组中的位置，并放进去，这就是 resize。

那么 HashMap 什么时候进行扩容呢？当 HashMap 中的元素个数超过数组大小 *loadFactor时，就会进行数组扩容，loadFactor的默认值为 0.75，这是一个折中的取值。也就是说，默认情况下，数组大小为 16，那么当 HashMap 中元素个数超过 16*0.75=12 的时候，就把数组的大小扩展为 2*16=32，即扩大一倍，然后重新计算每个元素在数组中的位置，而这是一个非常消耗性能的操作，所以如果我们已经预知 HashMap 中元素的个数，那么预设元素的个数能够有效的提高 HashMap 的性能。

HashMap 的性能参数

HashMap 包含如下几个构造器：

HashMap()：构建一个初始容量为 16，负载因子为 0.75 的 HashMap。

ashMap(int initialCapacity)：构建一个初始容量为 initialCapacity，负载因子为 0.75 的 HashMap。

HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)：以指定初始容量、指定的负载因子创建一个 HashMap。

HashMap 的基础构造器 HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) 带有两个参数，它们是初始容量 initialCapacity 和负载因子 loadFactor。

负载因子 loadFactor 衡量的是一个散列表的空间的使用程度，负载因子越大表示散列表的装填程度越高，反之愈小。对于使用链表法的散列表来说，查找一个元素的平均时间是 O(1+a)，因此如果负载因子越大，对空间的利用更充分，然而后果是查找效率的降低；如果负载因子太小，那么散列表的数据将过于稀疏，对空间造成严重浪费。

HashMap 的实现中，通过 threshold 字段来判断 HashMap 的最大容量：

  threshold = (int)(capacity * loadFactor);

结合负载因子的定义公式可知，threshold 就是在此 loadFactor 和 capacity 对应下允许的最大元素数目，超过这个数目就重新 resize，以降低实际的负载因子。默认的的负载因子 0.75 是对空间和时间效率的一个平衡选择。当容量超出此最大容量时， resize 后的 HashMap 容量是容量的两倍：

Fail-Fast 机制

原理

我们知道 java.util.HashMap 不是线程安全的，因此如果在使用迭代器的过程中有其他线程修改了 map，那么将抛出 ConcurrentModificationException，这就是所谓 fail-fast 策略。

ail-fast 机制是 java 集合(Collection)中的一种错误机制。 当多个线程对同一个集合的内容进行操作时，就可能会产生 fail-fast 事件。

例如：当某一个线程 A 通过 iterator去遍历某集合的过程中，若该集合的内容被其他线程所改变了；那么线程 A 访问集合时，就会抛出 ConcurrentModificationException 异常，产生 fail-fast 事件。

这一策略在源码中的实现是通过 modCount 域，modCount 顾名思义就是修改次数，对 HashMap 内容（当然不仅仅是 HashMap 才会有，其他例如 ArrayList 也会）的修改都将增加这个值（大家可以再回头看一下其源码，在很多操作中都有 modCount++ 这句），那么在迭代器初始化过程中会将这个值赋给迭代器的 expectedModCount。

  1. HashIterator() {
  2.     expectedModCount = modCount;
  3.     if (size > 0) { // advance to first entry
  4.     Entry[] t = table;
  5.     while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)  
  6.         ;
  7.     }
  8. }

在迭代过程中，判断 modCount 跟 expectedModCount 是否相等，如果不相等就表示已经有其他线程修改了 Map：

注意到 modCount 声明为 volatile，保证线程之间修改的可见性。

  1. final Entry<K,V> nextEntry() {
  2.     if (modCount != expectedModCount)
  3.         throw new ConcurrentModificationException();

在 HashMap 的 API 中指出：

由所有 HashMap 类的“collection 视图方法”所返回的迭代器都是快速失败的：在迭代器创建之后，如果从结构上对映射进行修改，除非通过迭代器本身的 remove 方法，其他任何时间任何方式的修改，迭代器都将抛出 ConcurrentModificationException。因此，面对并发的修改，迭代器很快就会完全失败，而不冒在将来不确定的时间发生任意不确定行为的风险。

注意，迭代器的快速失败行为不能得到保证，一般来说，存在非同步的并发修改时，不可能作出任何坚决的保证。快速失败迭代器尽最大努力抛出 ConcurrentModificationException。因此，编写依赖于此异常的程序的做法是错误的，正确做法是：迭代器的快速失败行为应该仅用于检测程序错误。

解决方案

在上文中也提到，fail-fast 机制，是一种错误检测机制。它只能被用来检测错误，因为 JDK 并不保证 fail-fast 机制一定会发生。若在多线程环境下使用 fail-fast 机制的集合，建议使用“java.util.concurrent 包下的类”去取代“java.util 包下的类”。

HashMap 的两种遍历方式

第一种

  1. Map map = new HashMap();
  2. 　　Iterator iter = map.entrySet().iterator();
  3. 　　while (iter.hasNext()) {
  4. 　　Map.Entry entry = (Map.Entry) iter.next();
  5. 　　Object key = entry.getKey();
  6. 　　Object val = entry.getValue();
  7. 　　}

效率高,以后一定要使用此种方式！

第二种

  1. 　Map map = new HashMap();
  2. 　　Iterator iter = map.keySet().iterator();
  3. 　　while (iter.hasNext()) {
  4. 　　Object key = iter.next();
  5. 　　Object val = map.get(key);
  6. 　　}

效率低,以后尽量少使用！

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以上就是java中hashmap的实现原理是什么？的详细内容，更多请关注html中文网其它相关文章！

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