浅谈HashMap底层原理

众所周知，HashMap是一个用于存储Key-Value键值对的集合，每一个键值对也叫做Entry。这些个键值对（Entry）分散存储在一个数组当中，这个数组就是HashMap的主干，下面为大家详细讲解一下HashMap底层原理

1. 特性

我们可以用任何类作为HashMap的key，但是对于这些类应该有什么限制条件呢？且看下面的代码：

public class Person {
   private String name;

   public Person(String name) {
       this.name = name;
   }
}

Map testMap = new HashMap();
testMap.put(new Person("hello"), "world");
testMap.get(new Person("hello")); // ---> null

本是想取出具有相等字段值Person类的value，结果却是null。对HashMap稍有了解的人看出来——Person类并没有override hashcode方法，导致其继承的是Object的hashcode（返回是其内存地址），两次new出来的Person对象并不equals——这也是为什么在工程项目中常用不变类（如String、Integer等）做为HashMap的key的原因。那么，HashMap是如何利用hashcode给key做索引的呢？

2. 原理

首先，我们来看《Thinking in Java》中一个简单HashMap的实现方案：

//: containers/SimpleHashMap.java
// A demonstration hashed Map.
import java.util.*;
import net.mindview.util.*;

public class SimpleHashMap extends AbstractMap {
 // Choose a prime number for the hash table size, to achieve a uniform distribution:
 static final int SIZE = 997;
 // You can't have a physical array of generics, but you can upcast to one:
 @SuppressWarnings("unchecked")
 LinkedList>[] buckets =
   new LinkedList[SIZE];
 public V put(K key, V value) {
   V oldValue = null;
   int index = Math.abs(key.hashCode()) % SIZE;
   if(buckets[index] == null)
     buckets[index] = new LinkedList>();
   LinkedList> bucket = buckets[index];
   MapEntry pair = new MapEntry(key, value);
   boolean found = false;
   ListIterator> it = bucket.listIterator();
   while(it.hasNext()) {
     MapEntry iPair = it.next();
     if(iPair.getKey().equals(key)) {
       oldValue = iPair.getValue();
       it.set(pair); // Replace old with new
       found = true;
       break;
     }
   }
   if(!found)
     buckets[index].add(pair);
   return oldValue;
 }
 public V get(Object key) {
   int index = Math.abs(key.hashCode()) % SIZE;
   if(buckets[index] == null) return null;
   for(MapEntry iPair : buckets[index])
     if(iPair.getKey().equals(key))
       return iPair.getValue();
   return null;
 }
 public Set> entrySet() {
   Set> set= new HashSet>();
   for(LinkedList> bucket : buckets) {
     if(bucket == null) continue;
     for(MapEntry mpair : bucket)
       set.add(mpair);
   }
   return set;
 }
 public static void main(String[] args) {
   SimpleHashMap m =
     new SimpleHashMap();
   m.putAll(Countries.capitals(25));
   System.out.println(m);
   System.out.println(m.get("ERITREA"));
   System.out.println(m.entrySet());
 }
}

SimpleHashMap构造一个hash表来存储key，hash函数是取模运算Math.abs(key.hashCode()) % SIZE，采用链表法解决hash冲突；buckets的每一个槽位对应存放具有相同（hash后）index值的Map.Entry，如下图所示： JDK的HashMap的实现原理与之相类似，其采用链地址的hash表table存储Map.Entry：

/**
* The table, resized as necessary. Length MUST Always be a power of two.
*/
transient Entry[] table = (Entry[]) EMPTY_TABLE;

static class Entry implements Map.Entry {
   final K key;
   V value;
   Entry next;
   int hash;
   …
}

Map.Entry的index是对key的hashcode进行hash后所得。当要get key对应的value时，则对key计算其index，然后在table中取出Map.Entry即可得到，具体参看代码：

public V get(Object key) {
   if (key == null)
       return getForNullKey();
   Entry entry = getEntry(key);

   return null == entry ? null : entry.getValue();
}

final Entry getEntry(Object key) {
   if (size == 0) {
       return null;
   }

   int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
   for (Entry e = table[indexFor(hash, table.length)];
        e != null;
        e = e.next) {
       Object k;
       if (e.hash == hash &&
           ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
           return e;
   }
   return null;
}

可见，hashcode直接影响HashMap的hash函数的效率——好的hashcode会极大减少hash冲突，提高查询性能。同时，这也解释开篇提出的两个问题：如果自定义的类做HashMap的key，则hashcode的计算应涵盖构造函数的所有字段，否则有可能得到null。

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