【Java集合类篇】HashMap的数据结构是怎样的?

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HashMap的数据结构是怎样的?

  • ✔️HashMap的数据结构
    • ✔️ 数组
    • ✔️ 链表


✔️HashMap的数据结构


在Java中，保存数据有两种比较简单的数据结构: 数组和链表（或红黑树）。


HashMap是 Java 中常用的数据结构，它实现了 Map 接口。HashMap通过键值对的形式存储数据，其中键是唯一的，而值可以是任何对象。HashMap底层使用数组和链表（或红黑树）来实现。


常用的哈希函数的冲突解决办法中有一种方法叫做链地址法，其实就是将数组和链表组合在一起，发挥了两者的优势，我们可以将其理解为链表的数组。在JDK 1.8之前，HashMap就是通过这种结构来存储数据的。


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我们可以从上图看到，左边很明显是个数组，数组的每个成员是一个链表。该数据结构所容纳的所有元素均包含一个指针，用于元素间的链接。我们根据元素的自身特征把元素分配到不同的链表中去，反过来我们也正是通过这些特征找到正确的链表，再从链表中找出正确的元素。其中，根据元素特征计算元素数组下标的方法就是哈希算法，即本文的主角 hash() 函数 (当然，还包括indexOf()函数)。


✔️ 数组


数组：HashMap使用一个数组来存储键值对。数组的每个元素都是一个桶（bucket），桶中存储着一个链表（LinkedList）或红黑树（TreeMap）。桶的数量可以根据需要动态调整。数组的索引方式采用哈希算法，通过将键的哈希值对数组长度取模来得到对应的桶。


数组的特点是:寻址容易，插入和删除困难。


看一个如何使用数组实现HashMap的代码片段：


public class MyHashMap<K, V> { // 默认初始容量  private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;  // 默认加载因子  private static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;  // 存储键值对的数组 private Entry<K, V>[] table;  // 当前容量 private int capacity; // 实际存储的键值对数量   private int size;  public MyHashMap() {  this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR);  }  public MyHashMap(int capacity) {  this(capacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);  }  public MyHashMap(int capacity, float loadFactor) {  this.capacity = capacity;  table = new Entry[capacity];  size = 0;  }  public V put(K key, V value) {  int hash = hash(key);  int index = indexFor(hash, table.length);  Entry<K, V> oldValue = table[index];  if (oldValue == null) {  table[index] = new Entry<>(key, value, null);  size++;  if (size > capacity * loadFactor) {  rehash();  }  } else {  Entry<K, V> newEntry = new Entry<>(key, value, oldValue);  table[index] = newEntry;  }  return oldValue == null ? null : oldValue.value;  }  public V get(K key) {  int hash = hash(key);  int index = indexFor(hash, table.length);  Entry<K, V> entry = table[index];  if (entry != null && Objects.equals(entry.key, key)) {  return entry.value;  } else {  return null;  }  }  public int size() {  return size;  }  private int hash(Object key) {  return Objects.hashCode(key);  }  private int indexFor(int hash, int length) {  return hash % length;  }  private void rehash() {  Entry<K, V>[] oldTable = table;  int oldCapacity = oldTable.length;  int newCapacity = oldCapacity * 2;  Entry<K, V>[] newTable = new Entry[newCapacity];  for (Entry<K, V> oldEntry : oldTable) {  while (oldEntry != null) {  Entry<K, V> next = oldEntry.next;  int hash = hash(oldEntry.key);  int index = indexFor(hash, newCapacity);  oldEntry.next = newTable[index];  newTable[index] = oldEntry;  oldEntry = next;  }  }  table = newTable;  capacity = newCapacity;  }  
}

✔️ 链表


链表：当多个键的哈希值映射到同一个桶时，它们会形成一个链表。链表中的每个节点包含一个键值对和指向下一个节点的指针。链表的作用是在插入、删除和查找操作时解决哈希冲突。


链表的特点是: 寻址困难，插入和删除容易


看一个如何使用链表实现HashMap的代码片段，是一个简单的HashMap实现，使用链表来处理哈希冲突：


public class MyHashMap<K, V> {  private static class Entry<K, V> {  K key;  V value;  Entry<K, V> next;  Entry(K key, V value, Entry<K, V> next) {  this.key = key;  this.value = value;  this.next = next;  }  }  private Entry<K, V>[] table;  private int capacity;  private int size;  private float loadFactor;  public MyHashMap(int capacity, float loadFactor) {  if (capacity < 0) throw new IllegalArgumentException("Capacity must be non-negative");  if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor)) throw new IllegalArgumentException("Load factor must be positive");  this.capacity = capacity;  this.loadFactor = loadFactor;  table = new Entry[capacity];  size = 0;  }  public V put(K key, V value) {  if (key == null) return null; // HashMaps don't allow null keys  // If size exceeds load factor * capacity, rehash  if (size >= capacity * loadFactor) {  rehash();  }  int hash = hash(key);  int index = indexFor(hash, capacity);  Entry<K, V> entry = table[index];  if (entry == null) {  // No collision, create new entry  table[index] = new Entry<>(key, value, null);  size++;  } else {  // Collision occurred, handle it using chaining  while (entry != null && !entry.key.equals(key)) {  if (entry.next == null) {  // End of chain, insert new entry  entry.next = new Entry<>(key, value, null);  size++;  break;  }  entry = entry.next;  }  // If key already exists, update value  if (entry != null && entry.key.equals(key)) {  V oldValue = entry.value;  entry.value = value;  return oldValue;  }  }  return null; // If key was new or not found  }  public V get(K key) {  if (key == null) return null; // HashMaps don't allow null keys  int hash = hash(key);  int index = indexFor(hash, capacity);  Entry<K, V> entry = table[index];  while (entry != null && !entry.key.equals(key)) {  entry = entry.next;  }  return entry == null ? null : entry.value;  }  private void rehash() {  capacity *= 2;  Entry<K, V>[] oldTable = table;  table = new Entry[capacity];  size = 0;  for (Entry<K, V> entry : oldTable) {  while (entry != null) {  Entry<K, V> next = entry.next;  int hash = hash(entry.key);  int index = indexFor(hash, capacity);  entry.next = table[index];  table[index] = entry;  size++;  entry = next;  }  }  }  private int hash(K key) {  return Math.abs(key.hashCode()) % capacity;  }  private int indexFor(int hash, int length) {  return hash % length;  }  public static void main(String[] args) {  MyHashMap<String, Integer> map = new MyHashMap<>(16, 0.75f);  map.put("one", 1);  map.put("two", 2);  map.put("three", 3);  System.out.println(map.get("one"));    // Should print 1  System.out.println(map.get("two"));    // Should print 2  System.out.println(map.get("three"));  //Should print 3

在JDK 1.8中为了解决因hash冲突导致某个链表长度过长，影响 put 和 get 的效率，引入了红黑树。


关于红黑树，下一篇会作为单独的博文进行更新。

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