深入理解Java HashMap：原理与实战

163 浏览量更新于2024-09-03 收藏 533KB PDF 举报

"本文深入探讨了Java中的哈希表HashMap，这是一种高效的数据结构，特别适用于缓存技术，如memcached。哈希表，也称为散列表，它的核心优势在于支持近乎常数时间复杂度的插入、删除和查找操作（在理想情况下）。在Java集合框架中，HashMap是基于哈希表实现的，它将数据的关键字通过哈希函数映射到数组的特定位置，从而实现快速访问。首先，哈希表的概念与对比。相比于数组的O(1)查找（基于下标）、链表的O(1)插入和删除但O(n)查找，以及二叉树的平均O(logn)操作，哈希表在无冲突的理想状态下能达到O(1)的极致效率。这得益于哈希函数将关键字转换为数组索引，避免了线性搜索。哈希表的实现主要包括两个关键部分：哈希函数和解决哈希冲突的机制。哈希函数的作用是将任意大小的输入（关键字）转换成固定大小的数组索引，这通常是一个数值范围内的整数。一个好的哈希函数应该尽可能地分散键值，减少冲突的概率。当两个键映射到同一个位置时，就会发生哈希冲突，常见的解决方法有开放寻址法（如线性探测、二次探测等）和链地址法（使用链表结构存储冲突的键值对）。其次，文章将详细介绍HashMap在Java中的具体实现，包括它如何使用数组和链表结合来处理冲突，以及JDK 7之后的改进，如链地址法的优化。这部分内容会深入到HashMap的源码层面，帮助读者理解其内部工作机制。本文适合对Java编程有基础，希望深入理解哈希表和HashMap工作原理的开发者阅读，它不仅涵盖了理论知识，还提供了实践指导，有助于提升对高性能数据结构的理解和应用能力。"

JAVA中哈希表中哈希表HashMap的深入学习的深入学习

主要介绍了哈希表HashMap的深入学习,哈希表是一种非常重要的数据结构,许多缓存技术（比如memcached）的核心其实就是在内存中维护一张大的哈希表，本文会对java集合框

架中HashMap的实现原理进行讲解。感兴趣的话可以一起来学习

深入浅出学Java——HashMap

哈希表（哈希表（hash table））

也叫散列表，是一种非常重要的数据结构，应用场景及其丰富，许多缓存技术（比如memcached）的核心其实就是在内存中维护一张大的哈希表，本文会对java集合框架中HashMap的实现原理进行讲

解，并对JDK7的HashMap源码进行分析。

一、什么是哈希表一、什么是哈希表

在讨论哈希表之前，我们先大概了解下其他数据结构在新增，查找等基础操作执行性能

数组：采用一段连续的存储单元来存储数据。对于指定下标的查找，时间复杂度为O(1)；通过给定值进行查找，需要遍历数组，逐一比对给定关键字和数组元素，时间复杂度为O(n)，当然，对于有序数

组，则可采用二分查找，插值查找，斐波那契查找等方式，可将查找复杂度提高为O(logn)；对于一般的插入删除操作，涉及到数组元素的移动，其平均复杂度也为O(n)

线性链表：对于链表的新增，删除等操作（在找到指定操作位置后），仅需处理结点间的引用即可，时间复杂度为O(1)，而查找操作需要遍历链表逐一进行比对，复杂度为O(n)

二叉树：对一棵相对平衡的有序二叉树，对其进行插入，查找，删除等操作，平均复杂度均为O(logn)。

哈希表：相比上述几种数据结构，在哈希表中进行添加，删除，查找等操作，性能十分之高，不考虑哈希冲突的情况下（后面会探讨下哈希冲突的情况），仅需一次定位即可完成，时间复杂度为O(1)，

接下来我们就来看看哈希表是如何实现达到惊艳的常数阶O(1)的。

我们知道，数据结构的物理存储结构只有两种：顺序存储结构和链式存储结构（像栈，队列，树，图等是从逻辑结构去抽象的，映射到内存中，也这两种物理组织形式），而在上面我们提到过，在数组

中根据下标查找某个元素，一次定位就可以达到，哈希表利用了这种特性，哈希表的主干就是数组。

比如我们要新增或查找某个元素，我们通过把当前元素的关键字通过某个函数映射到数组中的某个位置，通过数组下标一次定位就可完成操作。

这个函数可以简单描述为：存储位置 = f(关键字) ，这个函数f一般称为哈希函数，这个函数的设计好坏会直接影响到哈希表的优劣。举个例子，比如我们要在哈希表中执行插入操作：

插入过程如下图所示

查找操作同理，先通过哈希函数计算出实际存储地址，然后从数组中对应地址取出即可。

哈希冲突哈希冲突

然而万事无完美，如果两个不同的元素，通过哈希函数得出的实际存储地址相同怎么办？也就是说，当我们对某个元素进行哈希运算，得到一个存储地址，然后要进行插入的时候，发现已经被其他元素

占用了，其实这就是所谓的哈希冲突，也叫哈希碰撞。前面我们提到过，哈希函数的设计至关重要，好的哈希函数会尽可能地保证计算简单和散列地址分布均匀,但是，我们需要清楚的是，数组是一块连

续的固定长度的内存空间，再好的哈希函数也不能保证得到的存储地址绝对不发生冲突。那么哈希冲突如何解决呢？哈希冲突的解决方案有多种:开放定址法（发生冲突，继续寻找下一块未被占用的存储

地址），再散列函数法，链地址法，而HashMap即是采用了链地址法，也就是数组+链表的方式。

二、二、HashMap的实现原理的实现原理

HashMap的主干是一个Entry数组。Entry是HashMap的基本组成单元，每一个Entry包含一个key-value键值对。（其实所谓Map其实就是保存了两个对象之间的映射关系的一种集合）

//HashMap的主干数组，可以看到就是一个Entry数组，初始值为空数组{}，主干数组的长度一定是2的次幂。

//至于为什么这么做，后面会有详细分析。

transient Entry<K,V>[] table = (Entry<K,V>[]) EMPTY_TABLE;

Entry是HashMap中的一个静态内部类。代码如下

static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {

final K key;

V value;

Entry<K,V> next;//存储指向下一个Entry的引用，单链表结构

int hash;//对key的hashcode值进行hash运算后得到的值，存储在Entry，避免重复计算

/**

* Creates new entry.

Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {

value = v;

next = n;

key = k;

hash = h;

}

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