基于Java中最常用的集合類框架之HashMap(詳解)
一、HashMap的概述
HashMap可以說(shuō)是Java中最常用的集合類框架之一,是Java語(yǔ)言中非常典型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
HashMap是基于哈希表的Map接口實(shí)現(xiàn)的,此實(shí)現(xiàn)提供所有可選的映射操作。存儲(chǔ)的是對(duì)的映射,允許多個(gè)null值和一個(gè)null鍵。但此類不保證映射的順序,特別是它不保證該順序恒久不變。
除了HashMap是非同步以及允許使用null外,HashMap 類與 Hashtable大致相同。
此實(shí)現(xiàn)假定哈希函數(shù)將元素適當(dāng)?shù)胤植荚诟魍爸g,可為基本操作(get 和 put)提供穩(wěn)定的性能。迭代collection 視圖所需的時(shí)間與 HashMap 實(shí)例的“容量”(桶的數(shù)量)及其大小(鍵-值映射關(guān)系數(shù))成比例。所以,如果迭代性能很重要,則不要將初始容量設(shè)置得太高(或?qū)⒓虞d因子設(shè)置得太低)。
HashMap 的實(shí)例有兩個(gè)參數(shù)影響其性能:初始容量 和加載因子。容量 是哈希表中桶的數(shù)量,初始容量只是哈希表在創(chuàng)建時(shí)的容量。加載因子 是哈希表在其容量自動(dòng)增加之前可以達(dá)到多滿的一種尺度。當(dāng)哈希表中的條目數(shù)超出了加載因子與當(dāng)前容量的乘積時(shí),則要對(duì)該哈希表進(jìn)行 rehash 操作(即重建內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)),從而哈希表將具有大約兩倍的桶數(shù)。
通常,默認(rèn)加載因子 (0.75) 在時(shí)間和空間成本上尋求一種折衷。加載因子過(guò)高雖然減少了空間開(kāi)銷,但同時(shí)也增加了查詢成本(在大多數(shù) HashMap 類的操作中,包括 get 和 put 操作,都反映了這一點(diǎn))。在設(shè)置初始容量時(shí)應(yīng)該考慮到映射中所需的條目數(shù)及其加載因子,以便最大限度地減少 rehash 操作次數(shù)。如果初始容量大于最大條目數(shù)除以加載因子,則不會(huì)發(fā)生 rehash 操作。
注意,此實(shí)現(xiàn)不是同步的。 如果多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)一個(gè)HashMap實(shí)例,而其中至少一個(gè)線程從結(jié)構(gòu)上修改了列表,那么它必須保持外部同步。這通常是通過(guò)同步那些用來(lái)封裝列表的 對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)的。但如果沒(méi)有這樣的對(duì)象存在,則應(yīng)該使用{@link Collections#synchronizedMap Collections.synchronizedMap}來(lái)進(jìn)行“包裝”,該方法最好是在創(chuàng)建時(shí)完成,為了避免對(duì)映射進(jìn)行意外的非同步操作。
Map m = Collections.synchronizedMap(new HashMap(...));
二、構(gòu)造函數(shù)
HashMap提供了三個(gè)構(gòu)造函數(shù):
HashMap():構(gòu)造一個(gè)具有默認(rèn)初始容量 (16) 和默認(rèn)加載因子 (0.75) 的空 HashMap。
HashMap(int initialCapacity):構(gòu)造一個(gè)帶指定初始容量和默認(rèn)加載因子 (0.75) 的空 HashMap。
HashMap(int initialCapacity, float loadFactor):構(gòu)造一個(gè)帶指定初始容量和加載因子的空 HashMap。
這里提到了兩個(gè)參數(shù):初始容量,加載因子。這兩個(gè)參數(shù)是影響HashMap性能的重要參數(shù),其中容量表示哈希表中桶的數(shù)量,初始容量是創(chuàng)建哈希表時(shí)的容量,加載因子是哈希表在其容量自動(dòng)增加之前可以達(dá)到多滿的一種尺度,它衡量的是一個(gè)散列表的空間的使用程度,負(fù)載因子越大表示散列表的裝填程度越高,反之愈小。對(duì)于使用鏈表法的散列表來(lái)說(shuō),查找一個(gè)元素的平均時(shí)間是O(1+a),因此如果負(fù)載因子越大,對(duì)空間的利用更充分,然而后果是查找效率的降低;如果負(fù)載因子太小,那么散列表的數(shù)據(jù)將過(guò)于稀疏,對(duì)空間造成嚴(yán)重浪費(fèi)。系統(tǒng)默認(rèn)負(fù)載因子為0.75,一般情況下我們是無(wú)需修改的。
HashMap是一種支持快速存取的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),要了解它的性能必須要了解它的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
三、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

我們知道在Java中最常用的兩種結(jié)構(gòu)是數(shù)組和模擬指針(引用),幾乎所有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都可以利用這兩種來(lái)組合實(shí)現(xiàn),HashMap也是如此。實(shí)際上HashMap是一個(gè)“鏈表散列”,如下是它數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):
// Entry是單向鏈表。 它是 “HashMap鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)法”對(duì)應(yīng)的鏈表。
// 實(shí)現(xiàn)了Map.Entry接口,即getKey(),getValue(),setValue(V value),equals(Object o),hashCode()這些函數(shù)
static class Entry implements Map.Entry {
final K key;
V value;
// 指向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)
Entry next;
final int hash;
// 構(gòu)造函數(shù)
// 輸入?yún)?shù)包括"哈希值(h)", "鍵(k)", "值(v)", "下一節(jié)點(diǎn)(n)"
Entry(int h, K k, V v, Entry n) {
value = v;
next = n;
key = k;
hash = h;
}
public final K getKey() {
return key;
}
public final V getValue() {
return value;
}
public final V setValue(V newValue) {
V oldValue = value;
value = newValue;
return oldValue;
}
// 判斷兩個(gè)Entry是否相等
// 若兩個(gè)Entry的“key”和“value”都相等,則返回true。
// 否則,返回false
public final boolean equals(Object o) {
if (!(o instanceof Map.Entry))
return false;
Map.Entry e = (Map.Entry)o;
Object k1 = getKey();
Object k2 = e.getKey();
if (k1 == k2 || (k1 != null && k1.equals(k2))) {
Object v1 = getValue();
Object v2 = e.getValue();
if (v1 == v2 || (v1 != null && v1.equals(v2)))
return true;
}
return false;
}
// 實(shí)現(xiàn)hashCode()
public final int hashCode() {
return (key==null ? 0 : key.hashCode()) ^
(value==null ? 0 : value.hashCode());
}
public final String toString() {
return getKey() + "=" + getValue();
}
// 當(dāng)向HashMap中添加元素時(shí),繪調(diào)用recordAccess()。
// 這里不做任何處理
void recordAccess(HashMap m) {
}
// 當(dāng)從HashMap中刪除元素時(shí),繪調(diào)用recordRemoval()。
// 這里不做任何處理
void recordRemoval(HashMap m) {
}
}
從上圖我們可以看出HashMap底層實(shí)現(xiàn)還是數(shù)組,只是數(shù)組的每一項(xiàng)都是一條鏈。其中參數(shù)initialCapacity就代表了該數(shù)組的長(zhǎng)度。下面為HashMap構(gòu)造函數(shù)的源碼:
// 找出“大于Capacity”的最小的2的冪,使Hash表的容量保持為2的次方倍
// 算法的思想:通過(guò)使用邏輯運(yùn)算來(lái)替代取余,這里有一個(gè)規(guī)律,就是當(dāng)N為2的次方(Power of two),那么X%N==X&(N-1)。
static final int tableSizeFor(int cap) {
int n = cap - 1;
n |= n >>> 1; // >>> 無(wú)符號(hào)右移,高位補(bǔ)0
n |= n >>> 2; // a|=b的意思就是把a(bǔ)和b按位或然后賦值給a
n |= n >>> 4;
n |= n >>> 8;
n |= n >>> 16;
return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}
// 構(gòu)造一個(gè)帶指定初始容量和加載因子的空HashMap
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " + initialCapacity);
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " + loadFactor);
this.loadFactor = loadFactor;
this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}
// 構(gòu)造一個(gè)帶指定初始容量和默認(rèn)加載因子(0.75)的空 HashMap
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
// 構(gòu)造一個(gè)具有默認(rèn)初始容量 (16)和默認(rèn)加載因子 (0.75)的空 HashMap
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}
// 構(gòu)造一個(gè)映射關(guān)系與指定 Map相同的新 HashMap,容量與指定Map容量相同,加載因子為默認(rèn)的0.75
public HashMap(Map m) {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
putMapEntries(m, false);
}
從源碼中可以看出,每次新建一個(gè)HashMap時(shí),都會(huì)初始化一個(gè)table數(shù)組。table數(shù)組的元素為Entry節(jié)點(diǎn)。
// Entry是單向鏈表。
// 它是 “HashMap鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)法”對(duì)應(yīng)的鏈表。
// 它實(shí)現(xiàn)了Map.Entry 接口,即實(shí)現(xiàn)getKey(), getValue(), setValue(V value), equals(Object o), hashCode()這些函數(shù)
static class Entry implements Map.Entry {
final K key;
V value;
// 指向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)
Entry next;
final int hash;
// 構(gòu)造函數(shù)。
// 輸入?yún)?shù)包括"哈希值(h)", "鍵(k)", "值(v)", "下一節(jié)點(diǎn)(n)"
Entry(int h, K k, V v, Entry n) {
value = v;
next = n;
key = k;
hash = h;
}
......
}
其中Entry為HashMap的內(nèi)部類,它包含了鍵key、值value、下一個(gè)節(jié)點(diǎn)next,以及hash值,這是非常重要的,正是由于Entry才構(gòu)成了table數(shù)組的項(xiàng)為鏈表。
以上這篇基于Java中最常用的集合類框架之HashMap(詳解)就是小編分享給大家的全部?jī)?nèi)容了,希望能給大家一個(gè)參考,也希望大家多多支持腳本之家。
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