线性表数据结构解读（五）哈希表结构-HashMap

前面的博客中，我给你们分析过数组和链表两种线性表数据结构。数组存储区间连续，查找方便，可是插入和删除效率低下；链表存储区间离散，插入删除方便，可是查找困难。你们确定会问，有没有一种结构，既能作到查找便捷，又能作到插入删除方便呢？答案就是咱们今天要跟你们说的主角：哈希表。
咱们先来看一下哈希表的百度定义php

散列表（Hash table，也叫哈希表），是根据关键码值(Keyvalue)而直接进行访问的数据结构。也就是说，它经过把关键码值映射到表中一个位置来访问记录，以加快查找的速度。这个映射函数叫作散列函数，存放记录的数组叫作散列表。
给定表M，存在函数f(key)，对任意给定的关键字值key，代入函数后若能获得包含该关键字的记录在表中的地址，则称表M为哈希(Hash）表，函数f(key)为哈希(Hash)函数。java

下图是一个经典的哈希表实现方式图，来自百度百科。数组

再看一张图markdown

这张图更明显的告诉咱们哈希表采用的是一种“拉链法”实现的，关于拉链法，你们能够自行百度脑补。左边是数组，右边是链表，感受十分像用数组把链表串起来，在一个长度为16的数组中，每一个元素存储的是一个链表的头结点。接下来咱们一块儿来分析一下HashMap的源码实现。数据结构

HashMap的继承关系

经过HashMap的继承关系，咱们能够得知HashMap继承自抽象类AbstractMap，该Map又实现了Map接口，咱们下来看一下Map接口包含哪些方法。app

能够看出包含了咱们经常使用的HashMap中的一些方法，接着咱们来看HashMap的父类AbstractMap。ide

public abstract class AbstractMap<K, V> implements Map<K, V> {
    // 用懒加载的方式定义了Set集合类型的键，代表HashMap键是不能重复的
    Set<K> keySet;

    // 用懒加载的方式定义了Collection集合类型的值，代表HashMap值是能够重复的
    Collection<V> valuesCollection;
    ……
}

这里重点要看明白一开始定义的键和值，键是不能重复的，值能够重复。
而后定义了两个静态的实体类函数

// 维护键和值的 Entry
static class AbstractMap.SimpleEntry<K,V>  
// 维护不可变的键和值的 Entry
static class AbstractMap.SimpleImmutableEntry<K,V>

继续下面实现了接口Map中的方法：clear、put、get、equals、size、hashCode等等。post

HashMap源码解析

如今咱们开始分析HashMap的源码，走起┏ (゜ω゜)=☞this

元素定义

private static final int MINIMUM_CAPACITY = 4;// HashMap最小容量为4

    private static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;// HashMap最大容量1073741824，往右移除2，往左移是乘2

    // 实体数组
    private static final Entry[] EMPTY_TABLE
            = new HashMapEntry[MINIMUM_CAPACITY >>> 1];// 一个空的键值对实体数组最小容量是2

    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = .75F;// 默认的容量扩展因子是0.75

    transient HashMapEntry<K, V>[] table;// 键值对的数组

    transient HashMapEntry<K, V> entryForNullKey;// 没有键的键值对

    transient int size;// 非空元素长度

    transient int modCount;// 计数器

    private transient int threshold;// 容量因子的极限

    // Views - lazily initialized 父类继承下来的
    private transient Set<K> keySet;
    private transient Set<Entry<K, V>> entrySet;
    private transient Collection<V> values;

构造方法

/** * Constructs a new empty {@code HashMap} instance. */
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public HashMap() {
        table = (HashMapEntry<K, V>[]) EMPTY_TABLE;
        threshold = -1; // Forces first put invocation to replace EMPTY_TABLE
    }

    /** * 指定初始容量的构造方法 */
    public HashMap(int capacity) {
        if (capacity < 0) {
            throw new IllegalArgumentException("Capacity: " + capacity);
        }

        if (capacity == 0) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            HashMapEntry<K, V>[] tab = (HashMapEntry<K, V>[]) EMPTY_TABLE;
            table = tab;
            threshold = -1; // Forces first put() to replace EMPTY_TABLE
            return;
        }

        if (capacity < MINIMUM_CAPACITY) {
            capacity = MINIMUM_CAPACITY;
        } else if (capacity > MAXIMUM_CAPACITY) {
            capacity = MAXIMUM_CAPACITY;
        } else {
            capacity = Collections.roundUpToPowerOfTwo(capacity);
        }
        makeTable(capacity);
    }

    /** * 指定初始容量和扩展因子的构造方法 */
    public HashMap(int capacity, float loadFactor) {
        this(capacity);

        if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor)) {
            throw new IllegalArgumentException("Load factor: " + loadFactor);
        }

        /* * Note that this implementation ignores loadFactor; it always uses * a load factor of 3/4. This simplifies the code and generally * improves performance. */
    }

    /** * 构造一个映射关系与指定 Map 相同的新 HashMap。所建立的 HashMap 具备默认加载因子 (0.75) 和足 以容纳指定 Map 中映射关系的初始容量。 */
    public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> map) {
        this(capacityForInitSize(map.size()));
        constructorPutAll(map);
    }

put方法

/** * Maps the specified key to the specified value. * @param key the key. * @param value the value. * @return the value of any previous mapping with the specified key or * {@code null} if there was no such mapping. */
    @Override 
    public V put(K key, V value) {
        if (key == null) {// HashMap的key是能够为空的，若是为空，放一个NullKey
            return putValueForNullKey(value);
        }
        // 定义一个int型的hash，将key的hashCode计算后再次获得Hash值赋予它，即二次哈希
        int hash = Collections.secondaryHash(key);
        HashMapEntry<K, V>[] tab = table;// 存储键值对的数组
        // index是下标，tab数组长度-1即数组下标最大值，接着作&运算获得下标最大的长度，避免溢出
        int index = hash & (tab.length - 1);
        // 遍历索引下面的整个链表，tab[index]整个链表的头结点，若是index索引处的Entry不为 null，经过循环不断遍历e元素的下一个元素 
        for (HashMapEntry<K, V> e = tab[index]; e != null; e = e.next) {
            // 若是指定key与须要放入的key两个键相同，进行覆盖，新的覆盖老的
            if (e.hash == hash && key.equals(e.key)) {
                preModify(e);
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                return oldValue;
            }
        }

        // 若是index索引处的Entry为null，代表此处尚未 Entry 
        modCount++;// 计数器++
        if (size++ > threshold) {// 尺寸++大于容量因子的极限，则扩容
            tab = doubleCapacity();// 容量扩大两倍，HashMap容量最小是4，而后两倍两倍的扩容
            index = hash & (tab.length - 1);// 从新计算一遍
        }
        addNewEntry(key, value, hash, index);// 把新的键值对添加进来
        return null;
    }

Hash相同，Key不必定相同，若是Key相同，Hash值必定相同。

总结put方法的基本过程以下：
（1）对key的hashcode进行二次hash计算，获取应该保存到数组中的index。
（2）判断index所指向的数组元素是否为空，若是为空则直接插入。
（3）若是不为空，则依次查找e中next所指定的元素，判读key是否相等，若是相等，则替换旧的值，并返回值。
（4）跳出循环，判断容量是否超出，若是超出进行扩容
（5）执行addNewEntry()添加方法；

get方法

/** * Returns the value of the mapping with the specified key. * @param key the key. * @return the value of the mapping with the specified key, or {@code null} * if no mapping for the specified key is found. */
    public V get(Object key) {
        if (key == null) {// 若是key为空，把entryForNullKey赋值给e
            HashMapEntry<K, V> e = entryForNullKey;
            return e == null ? null : e.value;
        }
        // 根据key的hashCode值计算它的hash码 
        int hash = Collections.secondaryHash(key);
        HashMapEntry<K, V>[] tab = table;
        // 直接取出tab数组中指定索引处的值
        for (HashMapEntry<K, V> e = tab[hash & (tab.length - 1)];
                e != null; e = e.next) {
            //拿到每个键值对中的key
            K eKey = e.key;
            // 去比较，若是两个key相等 或者 内存地址相等而且两个哈希值相等，则找到并返回值
            if (eKey == key || (e.hash == hash && key.equals(eKey))) {
                return e.value;
            }
        }
        return null;
    }

remove方法

/** * Removes the mapping with the specified key from this map. * @param key the key of the mapping to remove. * @return the value of the removed mapping or {@code null} if no mapping * for the specified key was found. */
    @Override public V remove(Object key) {
        if (key == null) {// 若是key等于空，则移除空键值对
            return removeNullKey();
        }
        int hash = Collections.secondaryHash(key);
        HashMapEntry<K, V>[] tab = table;
        int index = hash & (tab.length - 1);
        // 遍历所有结点
        for (HashMapEntry<K, V> e = tab[index], prev = null;
                e != null; prev = e, e = e.next) {
            // 找到结点，若是Hash相等，而且key相等，找到了咱们要移除的结点
            if (e.hash == hash && key.equals(e.key)) {
                if (prev == null) {// 遍历到最后结束时找到要删除的结点
                    tab[index] = e.next;// 头结点从第二个结点开始算起
                } else {// 在中间任意地方找到了咱们要删除的元素
                    prev.next = e.next;// 这里使用了链表删除元素的套路
                }
                modCount++;
                size--;
                postRemove(e);
                return e.value;
            }
        }
        return null;
    }