Java集合架構HashSet和HashMap源碼剖析__Java

                      Java集合架構HashSet和HashMap源碼剖析 總體介紹

之所以把HashSet和HashMap放在一起講解，是因為二者在Java裡有著相同的實現，前者僅僅是對後者做了一層封裝，也就是說HashSet裡面有一個HashMap（適配器模式）。因此本文將重點分析HashMap。

HashMap實現了Map介面，允許放入null元素，除該類未實現同步外，其餘跟Hashtable大致相同，跟TreeMap不同，該容器不保證元素順序，根據需要該容器可能會對元素重新雜湊，元素的順序也會被重新打散，因此不同時間迭代同一個HashMap的順序可能會不同。

根據對衝突的處理方式不同，雜湊表有兩種實現方式，一種開放地址方式（Open addressing），另一種是衝突鏈表方式（Separate chaining with linked lists）。Java HashMap採用的是衝突鏈表方式。

從上圖容易看出，如果選擇合適的雜湊函數，put()和get()方法可以在常數時間內完成。但在對HashMap進行迭代時，需要遍曆整個table以及後面跟的衝突鏈表。因此對於迭代比較頻繁的情境，不宜將HashMap的初始大小設的過大。

有兩個參數可以影響HashMap的效能：初始容量（inital capacity）和負載係數（load factor）。初始容量指定了初始table的大小，負載係數用來指定自動擴容的臨界值。當entry的數量超過capacity*load_factor時，容器將自動擴容並重新雜湊。對於插入元素較多的情境，將初始容量設大可以減少重新雜湊的次數。

將對向放入到HashMap或HashSet中時，有兩個方法需要特別關心：hashCode()和equals()。hashCode()方法決定了對象會被放到哪個bucket裡，當多個對象的雜湊值衝突時，equals()方法決定了這些對象是否是“同一個對象”。所以，如果要將自訂的對象放入到HashMap或HashSet中，需要@Override hashCode()和equals()方法。

方法剖析

1.get()

get(Object key)方法根據指定的key值返回對應的value，該方法調用了getEntry(Object key)得到相應的entry，然後返回entry.getValue()。因此getEntry()是演算法的核心。

演算法思想是首先通過hash()函數得到對應bucket的下標，然後依次遍曆衝突鏈表，通過key.equals(k)方法來判斷是否是要找的那個entry。

上圖中hash(k)&(table.length-1)等價於hash(k)%table.length，原因是HashMap要求table.length必須是2的指數，因此table.length-1就是二進位低位全是1，跟hash(k)相與會將雜湊值的高位全抹掉，剩下的就是餘數了。

//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)];//得到衝突鏈表
        e != null; e = e.next) {//依次遍曆衝突鏈表中的每個entry
       Object k;
       //依據equals()方法判斷是否相等
       if (e.hash == hash &&
           ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
           return e;
   }
   return null;
}

2.put()

put(K key, V value)方法是將指定的key, value對添加到map裡。該方法首先會對map做一次尋找，看是否包含該元組，如果已經包含則直接返回，尋找過程類似於getEntry()方法；如果沒有找到，則會通過addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex)方法插入新的entry，插入方式為頭插法。

//addEntry()
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
   if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
       resize(2 * table.length);//自動擴容，並重新雜湊
       hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
       bucketIndex = hash & (table.length-1);//hash%table.length
   }
   //在衝突鏈表頭部插入新的entry
   Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
   table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
   size++;
}

3.remove()

remove(Object key)的作用是刪除key值對應的entry，該方法的具體邏輯是在removeEntryForKey(Object key)裡實現的。removeEntryForKey()方法會首先找到key值對應的entry，然後刪除該entry（修改鏈表的相應指標）。尋找過程跟getEntry()過程類似。

/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];//得到衝突鏈表
   Entry<K,V> e = prev;
   while (e != null) {//遍曆衝突鏈表
       Entry<K,V> next = e.next;
       Object k;
       if (e.hash == hash &&
           ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {//找到要刪除的entry
           modCount++; size--;
           if (prev == e) table[i] = next;//刪除的是衝突鏈表的第一個entry
           else prev.next = next;
           return e;
       }
       prev = e; e = next;
   }
   return e;
}

HashSet

前面已經說過HashSet是對HashMap的簡單封裝，對HashSet的函數調用都會轉換成合適的HashMap方法，因此HashSet的實現非常簡單，只有不到300行代碼。這裡不再贅述。

//HashSet是對HashMap的簡單封裝
public class HashSet<E>
{
   ......
   private transient HashMap<E,Object> map;//HashSet裡面有一個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) {//簡單的方法轉換
       return map.put(e, PRESENT)==null;
   }
   ......
}