【JavaSE】数据结构-哈希表(HashSet/HashMap底层哈希表详解,源码分析)

发布时间 2023-12-09 17:03:27作者: 沙汀鱼

哈希表结构

JDK8版本之前:数组+链表


JDK8版本及之后:数组+链表+红黑树

哈希表HashMap put()方法的添加流程

  1. 创建HashSet集合时,构造方法中自动创建HashMap集合;
    HashMap空参构造方法会创建一个默认长度为16,默认加载因子为0.75的数组,数组名为table
    (tips:实际上,HashSet对象创建后,第一次调用add方法时table数组长度才会变为16,初始情况下table数组为空)

  2. 调用集合的添加方法,会计算元素的索引位置——哈希值 % 数组长度

  • 首先,计算哈希值
    为了尽可能避免哈希冲突,使集合元素的索引位置尽可能分散,以此减少链表的挂载数量,java底层哈希值运算分为三个步骤:

    (1) 原始哈希值:是Object类的hasCode()调用底层C++代码计算出的一个随机数(也就是地址值)
    (2) 扰动哈希:整数二进制的后16位变化不大,取模容易产生哈希冲突,因此(无符号)右移原始哈希值,高16位补0,使原高16位的变化较大的数据参与运算
    (3) 二次哈希:然后使原始哈希值与扰动哈希值进行异或进行二次哈希

  • 然后,取模数组长度

    这里使用[数组长度-1] & 哈希值来替代哈希值 % 数组长度,因为位运算&比取模%计算速度快

  1. 判断索引位置元素是否是null
    是->存入;
    不是->说明有元素,调用equals方法比较内容,如果元素内容不同,则使用尾插法插入到该位置元素的尾部

  2. 当某索引位置挂载的元素过多,查询性能会降低,如何提高查询性能?

  • 扩容数组
    (1)当数组中的元素个数到达了(>=)16*0.75(加载因子)=12时,扩容原数组2倍的大小
    (2)链表挂载的元素超过了(>)8个(阈值),并且数组长度没有超过(<)64,扩容原数组2倍的大小
  • 链表转红黑树
    链表挂载的元素超过了(>)8个(阈值),并且数组长度达到了(>=)64,使链表转红黑树

源代码:

HashSet.java
    public boolean add(E e) {
        return map.put(e, PRESENT)==null;
    }
HashMap.java
    public V put(K key, V value) {
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
    }

    static final int hash(Object key) {
        int h;
        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
    }

    final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {
            Node<K,V> e; K k;
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }
            if (e != null) { // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount;
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }


    final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {
        int n, index; Node<K,V> e;
        if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
            resize();
        else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
            TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
            do {
                TreeNode<K,V> p = replacementTreeNode(e, null);
                if (tl == null)
                    hd = p;
                else {
                    p.prev = tl;
                    tl.next = p;
                }
                tl = p;
            } while ((e = e.next) != null);
            if ((tab[index] = hd) != null)
                hd.treeify(tab);
        }
    }
Object.java
    @IntrinsicCandidate
    public native int hashCode(); // 调用底层C++代码计算出的一个随机数(也就是地址值)

HashSet和HashMap哈希表结构的存储区别

HashSet哈希表结构:就是上述哈希表结构
HashMap哈希表结构:将键值对封装为Entry对象,然后取键做哈希值运算计算索引位置并存储