Java HashSet和HashMap源码剖析

HashSet and HashMap

本文github地址

整体介绍

之因此把HashSet和HashMap放在一块儿讲解，是由于两者在Java里有着相同的实现，前者仅仅是对后者作了一层包装，也就是说HashSet里面有一个HashMap（适配器模式）。所以本文将重点分析HashMap。

HashMap实现了Map接口，容许放入null元素，除该类未实现同步外，其他跟Hashtable大体相同，跟TreeMap不一样，该容器不保证元素顺序，根据须要该容器可能会对元素从新哈希，元素的顺序也会被从新打散，所以不一样时间迭代同一个HashMap的顺序可能会不一样。
根据对冲突的处理方式不一样，哈希表有两种实现方式，一种开放地址方式（Open addressing），另外一种是冲突链表方式（Separate chaining with linked lists）。Java HashMap采用的是冲突链表方式。

从上图容易看出，若是选择合适的哈希函数，put()和get()方法能够在常数时间内完成。但在对HashMap进行迭代时，须要遍历整个table以及后面跟的冲突链表。所以对于迭代比较频繁的场景，不宜将HashMap的初始大小设的过大。

有两个参数能够影响HashMap的性能：初始容量（inital capacity）和负载系数（load factor）。初始容量指定了初始table的大小，负载系数用来指定自动扩容的临界值。当entry的数量超过capacity*load_factor时，容器将自动扩容并从新哈希。对于插入元素较多的场景，将初始容量设大能够减小从新哈希的次数。

将对向放入到HashMap或HashSet中时，有两个方法须要特别关心：hashCode()和equals()。hashCode()方法决定了对象会被放到哪一个bucket里，当多个对象的哈希值冲突时，equals()方法决定了这些对象是不是“同一个对象”。因此，若是要将自定义的对象放入到HashMap或HashSet中，须要@Override hashCode()和equals()方法。

方法剖析

get()

get(Object key)方法根据指定的key值返回对应的value，该方法调用了getEntry(Object key)获得相应的entry，而后返回entry.getValue()。所以getEntry()是算法的核心。
算法思想是首先经过hash()函数获得对应bucket的下标，而后依次遍历冲突链表，经过key.equals(k)方法来判断是不是要找的那个entry。

上图中hash(k)&(table.length-1)等价于hash(k)%table.length，缘由是HashMap要求table.length必须是2的指数，所以table.length-1就是二进制低位全是1，跟hash(k)相与会将哈希值的高位全抹掉，剩下的就是余数了。

//getEntry()方法
final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
    ......
    int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
    for (Entry<K,V> e = table[hash&(table.length-1)];//获得冲突链表
         e != null; e = e.next) {//依次遍历冲突链表中的每一个entry
        Object k;
        //依据equals()方法判断是否相等
        if (e.hash == hash &&
            ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            return e;
    }
    return null;
}

put()

put(K key, V value)方法是将指定的key, value对添加到map里。该方法首先会对map作一次查找，看是否包含该元组，若是已经包含则直接返回，查找过程相似于getEntry()方法；若是没有找到，则会经过addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex)方法插入新的entry，插入方式为头插法。

//addEntry()
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
        resize(2 * table.length);//自动扩容，并从新哈希
        hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
        bucketIndex = hash & (table.length-1);//hash%table.length
    }
    //在冲突链表头部插入新的entry
    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
    table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
    size++;
}

remove()

remove(Object key)的做用是删除key值对应的entry，该方法的具体逻辑是在removeEntryForKey(Object key)里实现的。removeEntryForKey()方法会首先找到key值对应的entry，而后删除该entry（修改链表的相应指针）。查找过程跟getEntry()过程相似。

//removeEntryForKey()
final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {
    ......
    int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
    int i = indexFor(hash, table.length);//hash&(table.length-1)
    Entry<K,V> prev = table[i];//获得冲突链表
    Entry<K,V> e = prev;
    while (e != null) {//遍历冲突链表
        Entry<K,V> next = e.next;
        Object k;
        if (e.hash == hash &&
            ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {//找到要删除的entry
            modCount++; size--;
            if (prev == e) table[i] = next;//删除的是冲突链表的第一个entry
            else prev.next = next;
            return e;
        }
        prev = e; e = next;
    }
    return e;
}

HashSet

前面已经说过HashSet是对HashMap的简单包装，对HashSet的函数调用都会转换成合适的HashMap方法，所以HashSet的实现很是简单，只有不到300行代码。这里再也不赘述。

//HashSet是对HashMap的简单包装
public class HashSet<E>
{
    ......
    private transient HashMap<E,Object> map;//HashSet里面有一个HashMap
    // Dummy value to associate with an Object in the backing Map
    private static final Object PRESENT = new Object();
    public HashSet() {
        map = new HashMap<>();
    }
    ......
    public boolean add(E e) {//简单的方法转换
        return map.put(e, PRESENT)==null;
    }
    ......
}

本文github地址