线性表数据结构解读（五）哈希表结构-HashMap

前面的博客中，我给大家分析过数组和链表两种线性表数据结构。数组存储区间连续，查找方便，但是插入和删除效率低下；链表存储区间离散，插入删除方便，但是查找困难。大家肯定会问，有没有一种结构，既能做到查找便捷，又能做到插入删除方便呢？答案就是我们今天要跟大家说的主角：哈希表。 

我们先来看一下哈希表的百度定义

散列表（Hash table，也叫哈希表），是根据关键码值(Keyvalue)而直接进行访问的数据结构。也就是说，它通过把关键码值映射到表中一个位置来访问记录，以加快查找的速度。这个映射函数叫做散列函数，存放记录的数组叫做散列表。 
给定表M，存在函数f(key)，对任意给定的关键字值key，代入函数后若能得到包含该关键字的记录在表中的地址，则称表M为哈希(Hash）表，函数f(key)为哈希(Hash)函数。

下图是一个经典的哈希表实现方式图，来自百度百科。

再看一张图

这张图更明显的告诉我们哈希表采用的是一种“拉链法”实现的，关于拉链法，大家可以自行百度脑补。左边是数组，右边是链表，感觉十分像用数组把链表串起来，在一个长度为16的数组中，每个元素存储的是一个链表的头结点。接下来我们一起来分析一下HashMap的源码实现。

通过HashMap的继承关系，我们可以得知HashMap继承自抽象类AbstractMap，该Map又实现了Map接口，我们下来看一下Map接口包含哪些方法。

可以看出包含了我们常用的HashMap中的一些方法，接着我们来看HashMap的父类AbstractMap。

public abstract class AbstractMap<K, V> implements Map<K, V> {
    // 用懒加载的方式定义了Set集合类型的键，表明HashMap键是不能重复的
    Set<K> keySet;

    // 用懒加载的方式定义了Collection集合类型的值，表明HashMap值是可以重复的
    Collection<V> valuesCollection;
    ……
}

这里重点要看明白一开始定义的键和值，键是不能重复的，值可以重复。 
然后定义了两个静态的实体类

// 维护键和值的 Entry
static class AbstractMap.SimpleEntry<K,V>  
// 维护不可变的键和值的 Entry
static class AbstractMap.SimpleImmutableEntry<K,V>           

继续下面实现了接口Map中的方法：clear、put、get、equals、size、hashCode等等。

现在我们开始分析HashMap的源码，走起┏ (゜ω゜)=

元素定义

    private static final int MINIMUM_CAPACITY = 4;// HashMap最小容量为4

    private static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;// HashMap最大容量1073741824，往右移除2，往左移是乘2

    // 实体数组
    private static final Entry[] EMPTY_TABLE
            = new HashMapEntry[MINIMUM_CAPACITY >>> 1];// 一个空的键值对实体数组最小容量是2

    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = .75F;// 默认的容量扩展因子是0.75

    transient HashMapEntry<K, V>[] table;// 键值对的数组

    transient HashMapEntry<K, V> entryForNullKey;// 没有键的键值对

    transient int size;// 非空元素长度

    transient int modCount;// 计数器

    private transient int threshold;// 容量因子的极限

    // Views - lazily initialized 父类继承下来的
    private transient Set<K> keySet;
    private transient Set<Entry<K, V>> entrySet;
    private transient Collection<V> values;

构造方法

    /**
     * Constructs a new empty {@code HashMap} instance.
     */
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public HashMap() {
        table = (HashMapEntry<K, V>[]) EMPTY_TABLE;
        threshold = -1; // Forces first put invocation to replace EMPTY_TABLE
    }

    /**
     * 指定初始容量的构造方法
     */
    public HashMap(int capacity) {
        if (capacity < 0) {
            throw new IllegalArgumentException("Capacity: " + capacity);
        }

        if (capacity == 0) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            HashMapEntry<K, V>[] tab = (HashMapEntry<K, V>[]) EMPTY_TABLE;
            table = tab;
            threshold = -1; // Forces first put() to replace EMPTY_TABLE
            return;
        }

        if (capacity < MINIMUM_CAPACITY) {
            capacity = MINIMUM_CAPACITY;
        } else if (capacity > MAXIMUM_CAPACITY) {
            capacity = MAXIMUM_CAPACITY;
        } else {
            capacity = Collections.roundUpToPowerOfTwo(capacity);
        }
        makeTable(capacity);
    }

    /**
     * 指定初始容量和扩展因子的构造方法
     */
    public HashMap(int capacity, float loadFactor) {
        this(capacity);

        if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor)) {
            throw new IllegalArgumentException("Load factor: " + loadFactor);
        }

        /*
         * Note that this implementation ignores loadFactor; it always uses
         * a load factor of 3/4\. This simplifies the code and generally
         * improves performance.
         */
    }

    /**
     * 构造一个映射关系与指定 Map 相同的新 HashMap。所创建的 HashMap 具有默认加载因子 (0.75) 和足  以容纳指定 Map 中映射关系的初始容量。 
     */
    public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> map) {
        this(capacityForInitSize(map.size()));
        constructorPutAll(map);
    }

put方法

    /**
     * Maps the specified key to the specified value.
     * @param key the key.
     * @param value the value.
     * @return the value of any previous mapping with the specified key or
     *         {@code null} if there was no such mapping.
     */
    @Override 
    public V put(K key, V value) {
        if (key == null) {// HashMap的key是可以为空的，如果为空，放一个NullKey
            return putValueForNullKey(value);
        }
        // 定义一个int型的hash，将key的hashCode计算后再次得到Hash值赋予它，即二次哈希
        int hash = Collections.secondaryHash(key);
        HashMapEntry<K, V>[] tab = table;// 存储键值对的数组
        // index是下标，tab数组长度-1即数组下标最大值，接着做&运算得到下标最大的长度，避免溢出
        int index = hash & (tab.length - 1);
        // 遍历索引下面的整个链表，tab[index]整个链表的头结点，如果index索引处的Entry不为 null，通过循环不断遍历e元素的下一个元素  
        for (HashMapEntry<K, V> e = tab[index]; e != null; e = e.next) {
            // 如果指定key与需要放入的key两个键相同，进行覆盖，新的覆盖老的
            if (e.hash == hash && key.equals(e.key)) {
                preModify(e);
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                return oldValue;
            }
        }

        // 如果index索引处的Entry为null，表明此处还没有 Entry 
        modCount++;// 计数器++
        if (size++ > threshold) {// 尺寸++大于容量因子的极限，则扩容
            tab = doubleCapacity();// 容量扩大两倍，HashMap容量最小是4，然后两倍两倍的扩容
            index = hash & (tab.length - 1);// 重新计算一遍
        }
        addNewEntry(key, value, hash, index);// 把新的键值对添加进来
        return null;
    }

Hash相同，Key不一定相同，如果Key相同，Hash值一定相同。

总结put方法的基本过程如下： 
（1）对key的hashcode进行二次hash计算，获取应该保存到数组中的index。 
（2）判断index所指向的数组元素是否为空，如果为空则直接插入。 
（3）如果不为空，则依次查找e中next所指定的元素，判读key是否相等，如果相等，则替换旧的值，并返回值。 
（4）跳出循环，判断容量是否超出，如果超出进行扩容 
（5）执行addNewEntry()添加方法；

get方法

    /**
     * Returns the value of the mapping with the specified key.
     * @param key the key.
     * @return the value of the mapping with the specified key, or {@code null}
     *         if no mapping for the specified key is found.
     */
    public V get(Object key) {
        if (key == null) {// 如果key为空，把entryForNullKey赋值给e
            HashMapEntry<K, V> e = entryForNullKey;
            return e == null ? null : e.value;
        }
        // 根据key的hashCode值计算它的hash码  
        int hash = Collections.secondaryHash(key);
        HashMapEntry<K, V>[] tab = table;
        // 直接取出tab数组中指定索引处的值
        for (HashMapEntry<K, V> e = tab[hash & (tab.length - 1)];
                e != null; e = e.next) {
            //拿到每一个键值对中的key
            K eKey = e.key;
            // 去比较，如果两个key相等 或者 内存地址相等并且两个哈希值相等，则找到并返回值
            if (eKey == key || (e.hash == hash && key.equals(eKey))) {
                return e.value;
            }
        }
        return null;
    }

remove方法

    /**
     * Removes the mapping with the specified key from this map.
     * @param key the key of the mapping to remove.
     * @return the value of the removed mapping or {@code null} if no mapping
     *         for the specified key was found.
     */
    @Override public V remove(Object key) {
        if (key == null) {// 如果key等于空，则移除空键值对
            return removeNullKey();
        }
        int hash = Collections.secondaryHash(key);
        HashMapEntry<K, V>[] tab = table;
        int index = hash & (tab.length - 1);
        // 遍历全部结点
        for (HashMapEntry<K, V> e = tab[index], prev = null;
                e != null; prev = e, e = e.next) {
            // 找到结点，如果Hash相等，并且key相等，找到了我们要移除的结点
            if (e.hash == hash && key.equals(e.key)) {
                if (prev == null) {// 遍历到最后结束时找到要删除的结点
                    tab[index] = e.next;// 头结点从第二个结点开始算起
                } else {// 在中间任意地方找到了我们要删除的元素
                    prev.next = e.next;// 这里使用了链表删除元素的套路
                }
                modCount++;
                size--;
                postRemove(e);
                return e.value;
            }
        }
        return null;
    }