線性表數據結構解讀（五）哈希表結構-HashMap

前面的博客中，我給你們分析過數組和鏈表兩種線性表數據結構。數組存儲區間連續，查找方便，可是插入和刪除效率低下；鏈表存儲區間離散，插入刪除方便，可是查找困難。你們確定會問，有沒有一種結構，既能作到查找便捷，又能作到插入刪除方便呢？答案就是咱們今天要跟你們說的主角：哈希表。
咱們先來看一下哈希表的百度定義php

散列表（Hash table，也叫哈希表），是根據關鍵碼值(Keyvalue)而直接進行訪問的數據結構。也就是說，它經過把關鍵碼值映射到表中一個位置來訪問記錄，以加快查找的速度。這個映射函數叫作散列函數，存放記錄的數組叫作散列表。
給定表M，存在函數f(key)，對任意給定的關鍵字值key，代入函數後若能獲得包含該關鍵字的記錄在表中的地址，則稱表M爲哈希(Hash）表，函數f(key)爲哈希(Hash)函數。java

下圖是一個經典的哈希表實現方式圖，來自百度百科。數組

再看一張圖markdown

這張圖更明顯的告訴咱們哈希表採用的是一種「拉鍊法」實現的，關於拉鍊法，你們能夠自行百度腦補。左邊是數組，右邊是鏈表，感受十分像用數組把鏈表串起來，在一個長度爲16的數組中，每一個元素存儲的是一個鏈表的頭結點。接下來咱們一塊兒來分析一下HashMap的源碼實現。數據結構

HashMap的繼承關係

經過HashMap的繼承關係，咱們能夠得知HashMap繼承自抽象類AbstractMap，該Map又實現了Map接口，咱們下來看一下Map接口包含哪些方法。app

能夠看出包含了咱們經常使用的HashMap中的一些方法，接着咱們來看HashMap的父類AbstractMap。ide

public abstract class AbstractMap<K, V> implements Map<K, V> {
    // 用懶加載的方式定義了Set集合類型的鍵，代表HashMap鍵是不能重複的
    Set<K> keySet;

    // 用懶加載的方式定義了Collection集合類型的值，代表HashMap值是能夠重複的
    Collection<V> valuesCollection;
    ……
}

這裏重點要看明白一開始定義的鍵和值，鍵是不能重複的，值能夠重複。
而後定義了兩個靜態的實體類函數

// 維護鍵和值的 Entry
static class AbstractMap.SimpleEntry<K,V>  
// 維護不可變的鍵和值的 Entry
static class AbstractMap.SimpleImmutableEntry<K,V>

繼續下面實現了接口Map中的方法：clear、put、get、equals、size、hashCode等等。post

HashMap源碼解析

如今咱們開始分析HashMap的源碼，走起┏ (゜ω゜)=☞this

元素定義

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

    // 實體數組
    private static final Entry[] EMPTY_TABLE
            = new HashMapEntry[MINIMUM_CAPACITY >>> 1];// 一個空的鍵值對實體數組最小容量是2

    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = .75F;// 默認的容量擴展因子是0.75

    transient HashMapEntry<K, V>[] table;// 鍵值對的數組

    transient HashMapEntry<K, V> entryForNullKey;// 沒有鍵的鍵值對

    transient int size;// 非空元素長度

    transient int modCount;// 計數器

    private transient int threshold;// 容量因子的極限

    // Views - lazily initialized 父類繼承下來的
    private transient Set<K> keySet;
    private transient Set<Entry<K, V>> entrySet;
    private transient Collection<V> values;

構造方法

/** * 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
    }

    /** * 指定初始容量的構造方法 */
    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);
    }

    /** * 指定初始容量和擴展因子的構造方法 */
    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. */
    }

    /** * 構造一個映射關係與指定 Map 相同的新 HashMap。所建立的 HashMap 具備默認加載因子 (0.75) 和足 以容納指定 Map 中映射關係的初始容量。 */
    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是能夠爲空的，若是爲空，放一個NullKey
            return putValueForNullKey(value);
        }
        // 定義一個int型的hash，將key的hashCode計算後再次獲得Hash值賦予它，即二次哈希
        int hash = Collections.secondaryHash(key);
        HashMapEntry<K, V>[] tab = table;// 存儲鍵值對的數組
        // index是下標，tab數組長度-1即數組下標最大值，接着作&運算獲得下標最大的長度，避免溢出
        int index = hash & (tab.length - 1);
        // 遍歷索引下面的整個鏈表，tab[index]整個鏈表的頭結點，若是index索引處的Entry不爲 null，經過循環不斷遍歷e元素的下一個元素 
        for (HashMapEntry<K, V> e = tab[index]; e != null; e = e.next) {
            // 若是指定key與須要放入的key兩個鍵相同，進行覆蓋，新的覆蓋老的
            if (e.hash == hash && key.equals(e.key)) {
                preModify(e);
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                return oldValue;
            }
        }

        // 若是index索引處的Entry爲null，代表此處尚未 Entry 
        modCount++;// 計數器++
        if (size++ > threshold) {// 尺寸++大於容量因子的極限，則擴容
            tab = doubleCapacity();// 容量擴大兩倍，HashMap容量最小是4，而後兩倍兩倍的擴容
            index = hash & (tab.length - 1);// 從新計算一遍
        }
        addNewEntry(key, value, hash, index);// 把新的鍵值對添加進來
        return null;
    }

Hash相同，Key不必定相同，若是Key相同，Hash值必定相同。

總結put方法的基本過程以下：
（1）對key的hashcode進行二次hash計算，獲取應該保存到數組中的index。
（2）判斷index所指向的數組元素是否爲空，若是爲空則直接插入。
（3）若是不爲空，則依次查找e中next所指定的元素，判讀key是否相等，若是相等，則替換舊的值，並返回值。
（4）跳出循環，判斷容量是否超出，若是超出進行擴容
（5）執行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爲空，把entryForNullKey賦值給e
            HashMapEntry<K, V> e = entryForNullKey;
            return e == null ? null : e.value;
        }
        // 根據key的hashCode值計算它的hash碼 
        int hash = Collections.secondaryHash(key);
        HashMapEntry<K, V>[] tab = table;
        // 直接取出tab數組中指定索引處的值
        for (HashMapEntry<K, V> e = tab[hash & (tab.length - 1)];
                e != null; e = e.next) {
            //拿到每個鍵值對中的key
            K eKey = e.key;
            // 去比較，若是兩個key相等 或者 內存地址相等而且兩個哈希值相等，則找到並返回值
            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等於空，則移除空鍵值對
            return removeNullKey();
        }
        int hash = Collections.secondaryHash(key);
        HashMapEntry<K, V>[] tab = table;
        int index = hash & (tab.length - 1);
        // 遍歷所有結點
        for (HashMapEntry<K, V> e = tab[index], prev = null;
                e != null; prev = e, e = e.next) {
            // 找到結點，若是Hash相等，而且key相等，找到了咱們要移除的結點
            if (e.hash == hash && key.equals(e.key)) {
                if (prev == null) {// 遍歷到最後結束時找到要刪除的結點
                    tab[index] = e.next;// 頭結點從第二個結點開始算起
                } else {// 在中間任意地方找到了咱們要刪除的元素
                    prev.next = e.next;// 這裏使用了鏈表刪除元素的套路
                }
                modCount++;
                size--;
                postRemove(e);
                return e.value;
            }
        }
        return null;
    }