Java中map集合系列原理剖析

看了下JAVA裡面有HashMap、Hashtable、HashSet三種hash集合的實作源碼，這裡總結下，了解錯誤的地方還望指正

HashMap和Hashtable的差別

HashSet和HashMap、Hashtable的差別

HashMap和Hashtable的實作原理

HashMap的簡化實作MyHashMap

兩者最主要的差別在于Hashtable是線程安全，而HashMap則非線程安全

Hashtable的實作方法裡面都添加了synchronized關鍵字來確定線程同步，是以相對而言HashMap性能會高一些，我們平時使用時若無特殊需求建議使用HashMap，在多線程環境下若使用HashMap需要使用Collections.synchronizedMap()方法來擷取一個線程安全的集合（Collections.synchronizedMap()實作原理是Collections定義了一個SynchronizedMap的内部類，這個類實作了Map接口，在調用方法時使用synchronized來保證線程同步,當然了實際上操作的還是我們傳入的HashMap執行個體，簡單的說就是Collections.synchronizedMap()方法幫我們在操作HashMap時自動添加了synchronized來實作線程同步，類似的其它Collections.synchronizedXX方法也是類似原理）
HashMap可以使用null作為key，而Hashtable則不允許null作為key

雖說HashMap支援null值作為key，不過建議還是盡量避免這樣使用，因為一旦不小心使用了，若是以引發一些問題，排查起來很是費事

HashMap以null作為key時，總是存儲在table數組的第一個節點上
HashMap是對Map接口的實作，HashTable實作了Map接口和Dictionary抽象類
HashMap的初始容量為16，Hashtable初始容量為11，兩者的填充因子預設都是0.75

HashMap擴容時是目前容量翻倍即:capacity*2，Hashtable擴容時是容量翻倍+1即:capacity*2+1

兩者計算hash的方法不同

Hashtable計算hash是直接使用key的hashcode對table數組的長度直接進行取模

int hash = key.hashCode();
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;

HashMap計算hash對key的hashcode進行了二次hash，以獲得更好的散列值，然後對table數組長度取摸

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static int hash(int h) {
        // This function ensures that hashCodes that differ only by
        // constant multiples at each bit position have a bounded
        // number of collisions (approximately 8 at default load factor).
        h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
        return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
    }

 static int indexFor(int h, int length) {
        return h & (length-1);
    }

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HashMap和Hashtable的底層實作都是數組+連結清單結構實作

除開HashMap和Hashtable外，還有一個hash集合HashSet，有所差別的是HashSet不是key value結構，僅僅是存儲不重複的元素，相當于簡化版的HashMap，隻是包含HashMap中的key而已

通過檢視源碼也證明了這一點，HashSet内部就是使用HashMap實作，隻不過HashSet裡面的HashMap所有的value都是同一個Object而已，是以HashSet也是非線程安全的，至于HashSet和Hashtable的差別，HashSet就是個簡化的HashMap的，是以你懂的

下面是HashSet幾個主要方法的實作

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private transient HashMap<E,Object> map;
  private static final Object PRESENT = new Object();
  
  public HashSet() {
    map = new HashMap<E,Object>();
    }
 public boolean contains(Object o) {
    return map.containsKey(o);
    }
 public boolean add(E e) {
    return map.put(e, PRESENT)==null;
    }
 public boolean add(E e) {
    return map.put(e, PRESENT)==null;
    }
 public boolean remove(Object o) {
    return map.remove(o)==PRESENT;
    }


 public void clear() {
    map.clear();
    }

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HashMap和Hashtable的底層實作都是數組+連結清單結構實作的，這點上完全一緻

添加、删除、擷取元素時都是先計算hash，根據hash和table.length計算index也就是table數組的下标，然後進行相應操作，下面以HashMap為例說明下它的簡單實作

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/**
     * HashMap的預設初始容量 必須為2的n次幂
     */
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;

    /**
     * HashMap的最大容量，可以認為是int的最大值    
     */
    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

    /**
     * 預設的加載因子
     */
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

    /**
     * HashMap用來存儲資料的數組
     */
    transient Entry[] table;

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HashMap的建立

HashMap預設初始化時會建立一個預設容量為16的Entry數組，預設加載因子為0.75，同時設定臨界值為16*0.75

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/**
     * Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the default initial capacity
     * (16) and the default load factor (0.75).
     */
    public HashMap() {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
        threshold = (int)(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);
        table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
        init();
    }

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put方法

HashMap會對null值key進行特殊處理，總是放到table[0]位置

put過程是先計算hash然後通過hash與table.length取摸計算index值，然後将key放到table[index]位置，當table[index]已存在其它元素時，會在table[index]位置形成一個連結清單，将新添加的元素放在table[index]，原來的元素通過Entry的next進行連結，這樣以連結清單形式解決hash沖突問題，當元素數量達到臨界值(capactiy*factor)時，則進行擴容，是table數組長度變為table.length*2

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public V put(K key, V value) {
        if (key == null)
            return putForNullKey(value); //處理null值
        int hash = hash(key.hashCode());//計算hash
        int i = indexFor(hash, table.length);//計算在數組中的存儲位置
    //周遊table[i]位置的連結清單，查找相同的key，若找到則使用新的value替換掉原來的oldValue并傳回oldValue
        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;
            }
        }
    //若沒有在table[i]位置找到相同的key，則添加key到table[i]位置，新的元素總是在table[i]位置的第一個元素，原來的元素後移
        modCount++;
        addEntry(hash, key, value, i);
        return null;
    }

  
    void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    //添加key到table[bucketIndex]位置，新的元素總是在table[bucketIndex]的第一個元素，原來的元素後移
    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
        table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
    //判斷元素個數是否達到了臨界值，若已達到臨界值則擴容，table長度翻倍
        if (size++ >= threshold)
            resize(2 * table.length);
    }

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get方法

同樣當key為null時會進行特殊處理，在table[0]的連結清單上查找key為null的元素

get的過程是先計算hash然後通過hash與table.length取摸計算index值，然後周遊table[index]上的連結清單，直到找到key，然後傳回

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public V get(Object key) {
        if (key == null)
            return getForNullKey();//處理null值
        int hash = hash(key.hashCode());//計算hash
    //在table[index]周遊查找key，若找到則傳回value，找不到傳回null
        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;
    }

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remove方法

remove方法和put get類似，計算hash，計算index，然後周遊查找，将找到的元素從table[index]連結清單移除

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public V remove(Object key) {
        Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);
        return (e == null ? null : e.value);
    }
    final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {
        int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());
        int i = indexFor(hash, table.length);
        Entry<K,V> prev = table[i];
        Entry<K,V> e = prev;

        while (e != null) {
            Entry<K,V> next = e.next;
            Object k;
            if (e.hash == hash &&
                ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
                modCount++;
                size--;
                if (prev == e)
                    table[i] = next;
                else
                    prev.next = next;
                e.recordRemoval(this);
                return e;
            }
            prev = e;
            e = next;
        }

        return e;
    }

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resize方法

resize方法在hashmap中并沒有公開，這個方法實作了非常重要的hashmap擴容，具體過程為：先建立一個容量為table.length*2的新table，修改臨界值，然後把table裡面元素計算hash值并使用hash與table.length*2重新計算index放入到新的table裡面

這裡需要注意下是用每個元素的hash全部重新計算index，而不是簡單的把原table對應index位置元素簡單的移動到新table對應位置

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void resize(int newCapacity) {
        Entry[] oldTable = table;
        int oldCapacity = oldTable.length;
        if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return;
        }

        Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
        transfer(newTable);
        table = newTable;
        threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
    }

    void transfer(Entry[] newTable) {
        Entry[] src = table;
        int newCapacity = newTable.length;
        for (int j = 0; j < src.length; j++) {
            Entry<K,V> e = src[j];
            if (e != null) {
                src[j] = null;        
                do {
                    Entry<K,V> next = e.next;
                    //重新對每個元素計算index
                    int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
                    e.next = newTable[i];
                    newTable[i] = e;
                    e = next;
                } while (e != null);
            }
        }
    }

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clear()方法

clear方法非常簡單，就是周遊table然後把每個位置置為null，同時修改元素個數為0

需要注意的是clear方法隻會清楚裡面的元素，并不會重置capactiy

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```
public void clear() {
        modCount++;
        Entry[] tab = table;
        for (int i = 0; i < tab.length; i++)
            tab[i] = null;
        size = 0;
    }      
```
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containsKey和containsValue

containsKey方法是先計算hash然後使用hash和table.length取摸得到index值，周遊table[index]元素查找是否包含key相同的值

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public boolean containsKey(Object key) {
        return getEntry(key) != null;
    }
final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
        int hash = (key == null) ? 0 : 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 != null && key.equals(k))))
                return e;
        }
        return null;
    }

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containsValue方法就比較粗暴了，就是直接周遊所有元素直到找到value，由此可見HashMap的containsValue方法本質上和普通數組和list的contains方法沒什麼差別，你别指望它會像containsKey那麼高效

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public boolean containsValue(Object value) {
    if (value == null)
            return containsNullValue();

    Entry[] tab = table;
        for (int i = 0; i < tab.length ; i++)
            for (Entry e = tab[i] ; e != null ; e = e.next)
                if (value.equals(e.value))
                    return true;
    return false;
    }

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hash和indexFor

indexFor中的h & (length-1)就相當于h%length，用于計算index也就是在table數組中的下标
hash方法是對hashcode進行二次散列，以獲得更好的散列值
為了更好了解這裡我們可以把這兩個方法簡化為 int index= key.hashCode()/table.length,以put中的方法為例可以這樣替換

int hash = hash(key.hashCode());//計算hash
int i = indexFor(hash, table.length);//計算在數組中的存儲位置
//上面這兩行可以這樣簡化
int i = key.key.hashCode()%table.length;

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static int hash(int h) {
        // This function ensures that hashCodes that differ only by
        // constant multiples at each bit position have a bounded
        // number of collisions (approximately 8 at default load factor).
        h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
        return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
    }


    static int indexFor(int h, int length) {
        return h & (length-1);
    }

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為了加深了解，我個人實作了一個簡化版本的HashMap，注意哦，僅僅是簡化版的功能并不完善，僅供參考

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package cn.lzrabbit.structure;

/**
 * Created by rabbit on 14-5-4.
 */
public class MyHashMap {

    //預設初始化大小 16
    private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;
    //預設負載因子 0.75
    private static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

    //臨界值
    private int threshold;

    //元素個數
    private int size;

    //擴容次數
    private int resize;

    private HashEntry[] table;

    public MyHashMap() {
        table = new HashEntry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
        threshold = (int) (DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);
        size = 0;
    }

    private int index(Object key) {
        //根據key的hashcode和table長度取模計算key在table中的位置
        return key.hashCode() % table.length;
    }

    public void put(Object key, Object value) {
        //key為null時需要特殊處理，為簡化實作忽略null值
        if (key == null) return;
        int index = index(key);

        //周遊index位置的entry，若找到重複key則更新對應entry的值，然後傳回
        HashEntry entry = table[index];
        while (entry != null) {
            if (entry.getKey().hashCode() == key.hashCode() && (entry.getKey() == key || entry.getKey().equals(key))) {
                entry.setValue(value);
                return;
            }
            entry = entry.getNext();
        }
        //若index位置沒有entry或者未找到重複的key，則将新key添加到table的index位置
        add(index, key, value);
    }

    private void add(int index, Object key, Object value) {
        //将新的entry放到table的index位置第一個，若原來有值則以連結清單形式存放
        HashEntry entry = new HashEntry(key, value, table[index]);
        table[index] = entry;
        //判斷size是否達到臨界值，若已達到則進行擴容，将table的capacicy翻倍
        if (size++ >= threshold) {
            resize(table.length * 2);
        }
    }

    private void resize(int capacity) {
        if (capacity <= table.length) return;

        HashEntry[] newTable = new HashEntry[capacity];
        //周遊原table，将每個entry都重新計算hash放入newTable中
        for (int i = 0; i < table.length; i++) {
            HashEntry old = table[i];
            while (old != null) {
                HashEntry next = old.getNext();
                int index = index(old.getKey());
                old.setNext(newTable[index]);
                newTable[index] = old;
                old = next;
            }
        }
        //用newTable替table
        table = newTable;
        //修改臨界值
        threshold = (int) (table.length * DEFAULT_LOAD_FACTOR);
        resize++;
    }

    public Object get(Object key) {
        //這裡簡化處理，忽略null值
        if (key == null) return null;
        HashEntry entry = getEntry(key);
        return entry == null ? null : entry.getValue();
    }

    public HashEntry getEntry(Object key) {
        HashEntry entry = table[index(key)];
        while (entry != null) {
            if (entry.getKey().hashCode() == key.hashCode() && (entry.getKey() == key || entry.getKey().equals(key))) {
                return entry;
            }
            entry = entry.getNext();
        }
        return null;
    }

    public void remove(Object key) {
        if (key == null) return;
        int index = index(key);
        HashEntry pre = null;
        HashEntry entry = table[index];
        while (entry != null) {
            if (entry.getKey().hashCode() == key.hashCode() && (entry.getKey() == key || entry.getKey().equals(key))) {
                if (pre == null) table[index] = entry.getNext();
                else pre.setNext(entry.getNext());
                //如果成功找到并删除，修改size
                size--;
                return;
            }
            pre = entry;
            entry = entry.getNext();
        }
    }

    public boolean containsKey(Object key) {
        if (key == null) return false;
        return getEntry(key) != null;
    }

    public int size() {
        return this.size;
    }

    public void clear() {
        for (int i = 0; i < table.length; i++) {
            table[i] = null;
        }
        this.size = 0;
    }


    @Override
    public String toString() {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        sb.append(String.format("size:%s capacity:%s resize:%s\n\n", size, table.length, resize));
        for (HashEntry entry : table) {
            while (entry != null) {
                sb.append(entry.getKey() + ":" + entry.getValue() + "\n");
                entry = entry.getNext();
            }
        }
        return sb.toString();
    }
}

class HashEntry {
    private final Object key;
    private Object value;
    private HashEntry next;

    public HashEntry(Object key, Object value, HashEntry next) {
        this.key = key;
        this.value = value;
        this.next = next;
    }

    public Object getKey() {
        return key;
    }

    public Object getValue() {
        return value;
    }

    public void setValue(Object value) {
        this.value = value;
    }

    public HashEntry getNext() {
        return next;
    }

    public void setNext(HashEntry next) {
        this.next = next;
    }
}

MyHashMap

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