HashMap实现原理分析及实现

一.hashMap实现原理分析

1. HashMap底层实现方式：散列链表，即数组+链表
2. hash表：也叫散列表,是通过关键码值(key-value)而直接进行访问的数据结构 。

• 原理： 通过把关键码值映射到表中一个位置来访问记录
• 好处：这种数据结构可以加快查找的速度。

这里就需要将几种数据结构的优缺点进行比较了。

• 数组
  优点：查询快，随机访问快
  缺点：插入，删除慢

• 链表
  优点：插入，删除慢
  缺点：随机访问慢

• hash表：通过索引的方式使得查询的时候提高查询的效率
  优点：插入快，删除快，查找快
  缺点：基于数组的，数组创建后难于拓展，当hash表被基本填满后，性能下降非常严重。因此在使用hash表的时候需要提前预估表中要存多少个数据，避免扩展。

  /**
   * hashMap是将key-value看成一个数据实体entry来存储的，而且每个实体的索引值只与key有关，与value无关
   */
  public class HashMap<K, V> {
    //hashMap长度
    private int size;
    //数组最小长度
    private static final int MINIMUM_CAPACITY = 4;
    //数组最大长度
    private static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
  
    //空表的数组长度为2，意味着一建立就要强制扩容，这个是自己指定的
     private static final Map.Entry[] EMPTY_TABLE = new HashMapEntry[MINIMUM_CAPACITY >> 1];
    //装填因子，即数组扩容的阈值
      private int threshold;
  
      private HashMapEntry<K, V>[] table;//核心数组
      //在hashmap中允许key为空，而且只能有一个，并且单独存储，没有存储在核心数组里面
      private HashMapEntry<K, V> entryForNullKey;
  
      @SuppressWarnings("unchecked")
      public HashMap() {//空参构造函数
          table = (HashMapEntry<K, V>[]) EMPTY_TABLE;
          threshold = -1;
      }
  
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public HashMap(int capacity) {
          if (capacity < 0) {
              throw new IllegalArgumentException();
          }
          if (capacity == 0) {
            table = (HashMapEntry<K, V>[]) EMPTY_TABLE;
          threshold = -1;
              return;
        }
    //如果传进来的数组参数比最小数组长度还小，那数组长度就为最小长度
        if (capacity < MINIMUM_CAPACITY) {
              capacity = MINIMUM_CAPACITY;
        } else if (capacity > MAXIMUM_CAPACITY) {
              capacity = MAXIMUM_CAPACITY;
        } else {
            capacity = roundUp2PowerOf2(capacity);
        }
        makeTable(capacity);
    }
  
    /**
     * 插入一个元素
     * @param key
     * @param value
     * @return
     */
      public V put(K key, V value) {
            if (key == null) {
                return putValueForNullKey(value);
            } else {
            /**
             * 如果键值对不为空，则先要找到key-value的位置
             * 1.先生成key的hash值
             * 2.根据hash值找到数组的角标
             * 3.根据角标插入对应的位置
             */
            //键的hash值
            int hash = secondaryHash(key.hashCode());
            HashMapEntry<K, V>[] tab = table;
            /**
             * 得到数组的角标
             * &运算的作用：0~min(a,b),可以取到最小值的最大值
             */
              int index = hash & (tab.length - 1);
            //如果存在指定的元素则覆盖，不存在则插入
            //对羊肉串进行遍历
            for (HashMapEntry<K, V> e = tab[index]; e != null; e = e.next) {
            /**
             * key与hash值之间的关系
             * key相同，hash值一定相同；反之，hash值相同，key不一定相同
             */
            if (e.hash == hash && key.equals(e.key)) {
                //同一个元素，则覆盖
                V oldValue = e.getValue();
                e.setValue(value);
                return oldValue;
            }
        }
        //没有覆盖，直接插入元素,但不一定是在数组中增加一个元素，可能是在某个羊肉串后面添加一个节点
        /**
         * @see makeTable(int capacity)
         * @link{makeTable(int capacity) }
         * 虽然阈值定义的是capacity的3/4，但是capacity是个正数，所以threshold一个整数
         */
        if (size++ > threshold) {
            //假如一个元素插入成功，但是超过了阈值，就需要扩容
            /**
             * 1.创建一个新的容量的数组
             */
            tab = doubleCapacity();
            index = hash & (tab.length - 1);
          }
          addNewEntry(key, value, hash, index);
      }
      return value;
  }
  
  public V get(Object key){
    if (key == null) {
        HashMapEntry<K,V> e=entryForNullKey;
        return e==null?null:e.getValue();
    }else {
        int hash=secondaryHash(key.hashCode());
        HashMapEntry<K,V>[] tab=table;
        int index=hash&(tab.length-1);
        for (HashMapEntry<K,V> e=tab[index];e!=null;e=e.next){
              K eKey = e.key;
              if (eKey==key||(e.hash==hash&&key.equals(eKey))) {
                  return e.value;
              }
          }
          return null;
      }
  }
  
  /**
   * 将key-value键值对添加到index的位置
   * @param key
   * @param value
   * @param hash
   * @param index
   */
    private void addNewEntry(K key, V value, int hash, int index) {
    //添加到队头的位置
    table[index] = new HashMapEntry<K, V>(key, value, hash, table[index]);
    }
  
  /**
   * 双倍扩容
   * @return
   */
  @SuppressWarnings("unchecked")
  private HashMapEntry<K, V>[] doubleCapacity() {
    HashMapEntry<K, V>[] oldTable = table;
    int oldCapacity = oldTable.length;
    if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
        return oldTable;
    } else {
        int newCapacity = oldCapacity << 1;
        // TODO: 这里是否要判断newCapacity>MAXIMUM_CAPACITY?
        if (newCapacity >= MAXIMUM_CAPACITY) {
            newCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
        }
        //这里不能采用new的方式，因为这样就与旧的table产生不了联系
        HashMapEntry<K, V>[] newTable = makeTable(newCapacity);
        /**
         * 双倍扩容时，表有可能是空表，即
         * @link{<code>EMPTY_TABLE</code>}， 此时数组长度为4，但是size为0
         */
        if (size == 0) {
            return newTable;
        }
        /**
         * 双倍扩容之后，需要重新散列
         */
        for (int j = 0; j < oldTable.length; j++) {
            //拿到每个羊肉串
            HashMapEntry<K, V> e = oldTable[j];
            if (e == null) {
                continue;
            }
            /**
             * e.hash & oldCapacity <===> e.hash & oldTable.length===>结果的范围：[0,oldTable.length]
             * 对比：
             * int index = hash & (tab.length - 1)===>结果的范围：[0,oldTable.length-1]
             * “|”的作用：2*max（a，b）> a|b >max(a,b)
             */
            int highBit = e.hash & oldCapacity;//0-oldTable.length
            //断链标志位
            HashMapEntry<K, V> broken = null;
            newTable[j | highBit] = e;//重新散列成功oldTable.length-2*oldTable.length-1
            /**
             * e=n： 每次指针后移的时候，都保留当前结点的前一个元素
             **/
            for (HashMapEntry<K, V> n = e.next; n != null; e = n, n = n.next) {
                int nextHighBit = n.hash & oldCapacity;
                if (nextHighBit != highBit) {
                    if (broken == null) {
                        int nextNewIndex = j | nextHighBit;//新的索引
                        newTable[nextNewIndex] = n;
                    } else {
                        broken.next = n;
                    }
                    broken = e;
                    highBit = nextHighBit;
                }
                if (broken != null) {
                    broken.next = null;
                }
            }
        }
        return newTable;
     }
  }
  
  /**
   * hashMap 键的hash算法
   * 可以看到：对键进行单独的hash运算
   * @param h key的hash值
   * @return 算法的意义：目的就是为了将h打散，而且在0到max 之间均匀分布
   * 异或算法的作用：补位，多样化
   */
  private int secondaryHash(int h) {
      //拿到高12位，      拿到高20位
      h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
      //  拿到自己  拿到高25位， 拿到高28位
      return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
  }
  
  /**
   * 给放空key的键值对赋值
   * @param value
   * @return
   */
  private V putValueForNullKey(V value) {
    HashMapEntry<K, V> newEntry = entryForNullKey;
    //如果空键的键值对不存在，则重新创建
    if (newEntry == null) {
        addEntryForNullKey(value);
        //虽然空键键值对单独存放，但是也是hashmap集合中的一个元素，所以要size++
        size++;
        return null;
    } else {
        V oldValue = newEntry.getValue();
        newEntry.setValue(value);
        return oldValue;
      }
  }
  
  /**
   * 创建空键键值对,hash值只与key有关，键为null的键值对单独存放，所以next为空
   * @param value
   */
  private void addEntryForNullKey(V value) {
    entryForNullKey = new HashMapEntry<>(null, value, 0, null);
  }
  
  /**
   * 根据容量创建核心数组
   * @param capacity
   */
  private HashMapEntry<K, V>[] makeTable(int capacity) {
  //table=new HashMapEntry[capacity];//不要这么写
    HashMapEntry<K, V>[] newTable = new HashMapEntry[capacity];
    table = newTable;//尽量不要操作全局变量，把全局变量转成局部变量，通过操作局部变量达到操作全局变量的目的，防止bug
    threshold = (capacity >> 1) + (capacity >> 2);//3/4;
    return newTable;
  }
  
  /**
   * 将任意一个数转换成2的幂次方
   * 是2的幂次方的数的特点：
   * 2 =10=1+1
   * 4 =100=11+1
   * 8 =1000=111+1
   * 16=10000=1111+1
   * 32=100000=11111+1
   * <p>
   * @param i
   * @return
   */
  private int roundUp2PowerOf2(int i) {
      i--;
      i = i >>> 1;
      i = i >>> 2;
      i = i >>> 4;
      i = i >>> 8;
      i = i >>> 16;
      return i;
  }
  
  
  /**
   * 1. 成员变量可以是任意数据类型，基本数据类型，引用数据类型，类就属于引用数据类型，
   * 因此内部类的另一种理解方式就是将其看成外部类的成员变量，
   * <code>成员变量</code>也是<code>全局变量</code>，是整个类中都要使用的变量
   * 成员变量表示一个类的属性，这个属性自然在这个类中都成立，自然全局可用
   * <p>
   * 2.hashMap是将key-value看成一个数据实体entry来存储的，而且每个实体的索引值只与key有关，与value无关
   * 因此在entry中需要一个构造函数将key和value封装成entry
   */
  private static class HashMapEntry<K, V> implements Map.Entry<K, V> {
    //每个键值对的键是唯一的，一旦被赋值，就不能被修改了，通过final修饰来达到这个目的
    final K key;
    V value;
    final int hash;//hash是有key有关的hash算法生成的，因此也不能被被外界修改
    HashMapEntry<K, V> next;//指向下一个节点的指针
  
    public HashMapEntry(K key, V value, int hash, HashMapEntry<K, V> next) {
        this.key = key;
        this.value = value;
        this.hash = hash;
        this.next = next;
    }
  
    @Override
    public K getKey() {
        return key;
    }
  
    @Override
    public V getValue() {
        return value;
    }
  
    @Override
    public V setValue(V value) {
        V oldValue = this.value;
        this.value = value;
        return oldValue;
    }
  
    /**
     * 任何一个对象都有hashcode方法，这个是从Object类继承过来的，hash算法是自己指定的
     * @return
     */
    @Override
    public int hashCode() {
        return (key == null ? 0 : key.hashCode()) ^ (value == null ? 0   : value.hashCode());
      }
    }
  }