Java HashMap

本文最后更新于:2024年3月18日 凌晨

Java HashMap

  • HashMap以Hash表数据结构实现,查找对象时通过Hash函数计算其位置,它是为快速查询而设计的,其内部定义了一个 Hash表数组Entry[] table,元素会通过Hash函数将元素的Hash值转换成数组中存放的索引,如果有冲突,则使用链表的形式将所有相同Hash值的元素串起来,可以通过查看HashMap.Entry的源码它是一个单链表结构。

Hash冲突

  • 由于Hash算法被计算的数据是无限的,而计算后的结果范围有限,因此总会存在不同的数据经过计算后得到的值相同,这就是Hash冲突。
  • 冲突处理分为以下几种方式:
    • 开放地址法:出现冲突后按照一定算法查找一个空位置存放。
      • 线性探测再散列:线性探测方法就是线性探测空白单元,当数据通过Hash函数计算应该放在700这个位置,但是700这个位置已经有数据了,那么接下来就应该查看701位置是否空闲,再查看702位置,依次类推。
      • 二次探测再散列:二次探测是过程是x+1,x+4,x+9,以此类推,二次探测的步数是原始位置相隔的步数的平方
      • 再哈希法:出现冲突后采用其他的Hash函数计算,直到不再冲突为止。
    • 链地址法(拉链法):不同与前两种方法,他是在出现冲突的地方存储一个链表,所有的同义词记录都存在其中。
    • 建立公共溢出区:建立公共溢出区的基本思想是:假设Hash函数的值域是[1,m-1],则设向量HashTable[0…m-1]为基本表,每个分量存放一个记录,另外设向量OverTable[0…v]为溢出表,所有关键字和基本表中关键字为同义词的记录,不管它们由Hash函数得到的Hash值是什么,一旦发生冲突,都填入溢出表。

内部实现

搞清楚HashMap,首先需要知道HashMap是什么,即它的存储结构-字段,其次弄明白它能干什么,即它的功能实现-方法,下面我们针对这两个方面详细展开讲解。

存储结构-字段

  • 从结构实现来讲,HashMap是数组+链表+红黑树(JDK1.8增加了红黑树部分)实现的,如下如所示。
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数据底层具体存储的是什么

  • 从源码可知,HashMap类中有一个非常重要的字段,就是Node[] table,即Hash桶数组,明显它是一个Node的数组。
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static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash; // 用来定位数组索引位置。
final K key;
V value;
Node<K,V> next; // 链表的下一个node

Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) { ... }
public final K getKey(){ ... }
public final V getValue() { ... }
public final String toString() { ... }
public final int hashCode() { ... }
public final V setValue(V newValue) { ... }
public final boolean equals(Object o) { ... }
}
  • Node是HashMap的一个内部类,实现了Map.Entry接口,本质是就是一个映射(键值对),上图中的每个黑色圆点就是一个Node对象。

这样的存储方式有什么优点

  • HashMap就是使用Hash表来存储的,Hash表为解决冲突,可以采用开放地址法和链地址法等来解决问题,Java中HashMap采用了链地址法,链地址法,简单来说,就是数组加链表的结合,在每个数组元素上都一个链表结构,当数据被Hash后,得到数组下标,把数据放在对应下标元素的链表上,例如程序执行下面代码:
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map.put("美团","小美");
  • 系统将调用”美团”这个key的hashCode()方法得到其hashCode 值(该方法适用于每个Java对象),然后再通过Hash算法的后两步运算(高位运算和取模运算,下文有介绍)来定位该键值对的存储位置,有时两个key会定位到相同的位置,表示发生了Hash碰撞,当然Hash算法计算结果越分散均匀,Hash碰撞的概率就越小,map的存取效率就会越高。
  • 如果Hash桶数组很大,即使较差的Hash算法也会比较分散,如果Hash桶数组数组很小,即使好的Hash算法也会出现较多碰撞,所以就需要在空间成本和时间成本之间权衡,其实就是在根据实际情况确定Hash桶数组的大小,并在此基础上设计好的hash算法减少Hash碰撞,那么通过什么方式来控制map使得Hash碰撞的概率又小,Hash桶数组(Node[] table)占用空间又少呢?答案就是好的Hash算法和扩容机制。
  • 在理解Hash和扩容流程之前,我们得先了解下HashMap的几个字段,从HashMap的默认构造函数源码可知,构造函数就是对下面几个字段进行初始化,源码如下:
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int threshold;             // 所能容纳的key-value对极限。
final float loadFactor; // 负载因子。
int modCount;
int size;
  • 首先,Node[] table的初始化长度length(默认值是16),Load factor为负载因子(默认值是0.75),threshold是HashMap所能容纳的最大数据量的Node(键值对)个数,threshold = length * Load factor,也就是说,在数组定义好长度之后,负载因子越大,所能容纳的键值对个数越多。
  • 结合负载因子的定义公式可知,threshold就是在此Load factor和length(数组长度)对应下允许的最大元素数目,超过这个数目就重新resize(扩容),扩容后的HashMap容量是之前容量的两倍,默认的负载因子0.75是对空间和时间效率的一个平衡选择,建议大家不要修改,除非在时间和空间比较特殊的情况下,如果内存空间很多而又对时间效率要求很高,可以降低负载因子Load factor的值,相反,如果内存空间紧张而对时间效率要求不高,可以增加负载因子loadFactor的值,这个值可以大于1
  • size这个字段其实很好理解,就是HashMap中实际存在的键值对数量,注意和table的长度length,容纳最大键值对数量threshold的区别,而modCount字段主要用来记录HashMap内部结构发生变化的次数,主要用于迭代的快速失败,强调一点,内部结构发生变化指的是结构发生变化,例如put新键值对,但是某个key对应的value值被覆盖不属于结构变化。
  • 在HashMap中,Hash桶数组table的长度length大小必须为2的n次方(一定是合数),这是一种非常规的设计,常规的设计是把桶的大小设计为素数,相对来说素数导致冲突的概率要小于合数,Hashtable初始化桶大小为11,就是桶大小设计为素数的应用(Hashtable扩容后不能保证还是素数),HashMap采用这种非常规设计,主要是为了在取模和扩容时做优化,同时为了减少冲突,HashMap定位Hash桶索引位置时,也加入了高位参与运算的过程。
  • 这里存在一个问题,即使负载因子和Hash算法设计的再合理,也免不了会出现拉链过长的情况,一旦出现拉链过长,则会严重影响HashMap的性能,于是,在JDK1.8版本中,对数据结构做了进一步的优化,引入了红黑树,而当链表长度太长(默认超过8)时,链表就转换为红黑树,利用红黑树快速增删改查的特点提高HashMap的性能,其中会用到红黑树的插入,删除,查找等算法。

源码分析

确定Hash桶数组索引位置

  • 不管增加,删除,查找键值对,定位到Hash桶数组的位置都是很关键的第一步,前面说过HashMap的数据结构是数组和链表的结合,所以我们当然希望这个HashMap里面的元素位置尽量分布均匀些,尽量使得每个位置上的元素数量只有一个,那么当我们用hash算法求得这个位置的时候,马上就可以知道对应位置的元素就是我们要的,不用遍历链表,大大优化了查询的效率,HashMap定位数组索引位置,直接决定了hash方法的离散性能。
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static final int hash(Object key) {   //JDK1.8 & JDK1.7
int h;
// h = key.hashCode()为第一步取hashCode值。
// h ^ (h >>> 16)为第二步高位参与运算。
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

static int indexFor(int h, int length) { //JDK1.7的源码,JDK1.8没有这个方法,但是实现原理一样的。
return h & (length-1); // 第三步取模运算。
}
  • 这里的Hash算法本质上就是三步–取key的hashCode值,高位运算,取模运算
  • 对于任意给定的对象,只要它的hashCode()返回值相同,那么程序调用方法一所计算得到的Hash码值总是相同的,我们首先想到的就是把hash值对数组长度取模运算,这样一来,元素的分布相对来说是比较均匀的,但是,模运算的消耗还是比较大的,在HashMap中是这样做的:调用方法二来计算该对象应该保存在table数组的哪个索引处。
  • 这个方法非常巧妙,它通过h & (table.length -1)来得到该对象的保存位置,而HashMap底层数组的长度总是2的n次方,这是HashMap在速度上的优化,当length总是2的n次方时,h& (length-1)运算等价于对length取模,也就是h%length,但是&比%具有更高的效率。
  • 在JDK1.8的实现中,优化了高位运算的算法,通过hashCode()的高16位异或低16位实现的:(h = k.hashCode()) ^ (h >>> 16),主要是从速度,功效,质量来考虑的,这么做可以在数组table的length比较小的时候,也能保证考虑到高低Bit都参与到Hash的计算中,同时不会有太大的开销。
  • 下面举例说明下,n为table的长度。
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分析HashMap的put方法

  • HashMap的put方法执行过程可以通过下图来理解,自己有兴趣可以去对比源码更清楚地研究学习。
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  1. 判断键值对数组table[i]是否为空或为null,否则执行resize()进行扩容。
  2. 根据键值key计算hash值得到插入的数组索引i,如果table[i]==null,直接新建节点添加,转向⑥,如果table[i]不为空,转向③
  3. 判断table[i]的首个元素是否和key一样,如果相同直接覆盖value,否则转向④,这里的相同指的是hashCode以及equals
  4. 判断table[i] 是否为treeNode,即table[i] 是否是红黑树,如果是红黑树,则直接在树中插入键值对,否则转向⑤
  5. 遍历table[i],判断链表长度是否大于8,大于8的话把链表转换为红黑树,在红黑树中执行插入操作,否则进行链表的插入操作,遍历过程中若发现key已经存在直接覆盖value即可。
  6. 插入成功后,判断实际存在的键值对数量size是否超多了最大容量threshold,如果超过,进行扩容。
  • JDK1.8HashMap的put方法源码如下:
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public V put(K key, V value) {
// 对key的hashCode()做hash
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
// 步骤①:tab为空则创建。
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
// 步骤②:计算index,并对null做处理。
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
Node<K,V> e; K k;
// 步骤③:节点key存在,直接覆盖value
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
// 步骤④:判断该链为红黑树。
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
// 步骤⑤:该链为链表。
else {
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key,value,null);
// 链表长度大于8转换为红黑树进行处理。
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
// key已经存在直接覆盖value
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;
// 步骤⑥:超过最大容量就扩容。
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}

扩容机制

  • 扩容(resize)就是重新计算容量,向HashMap对象里不停的添加元素,而HashMap对象内部的数组无法装载更多的元素时,对象就需要扩大数组的长度,以便能装入更多的元素,当然Java里的数组是无法自动扩容的,方法是使用一个新的数组代替已有的容量小的数组,就像我们用一个小桶装水,如果想装更多的水,就得换大水桶。
  • 我们分析下resize的源码,鉴于JDK1.8融入了红黑树,较复杂,为了便于理解我们仍然使用JDK1.7的代码,好理解一些,本质上区别不大,具体区别后文再说。
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void resize(int newCapacity) {   // 传入新的容量。
Entry[] oldTable = table; // 引用扩容前的Entry数组。
int oldCapacity = oldTable.length;
if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) { // 扩容前的数组大小如果已经达到最大(2^30)了。
threshold = Integer.MAX_VALUE; // 修改阈值为int的最大值(2^31-1),这样以后就不会扩容了。
return;
}

Entry[] newTable = new Entry[newCapacity]; // 初始化一个新的Entry数组。
transfer(newTable); //!!将数据转移到新的Entry数组里。
table = newTable; //HashMap的table属性引用新的Entry数组。
threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);// 修改阈值。
}
  • 这里就是使用一个容量更大的数组来代替已有的容量小的数组,transfer()方法将原有Entry数组的元素拷贝到新的Entry数组里。
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void transfer(Entry[] newTable) {
Entry[] src = table; //src引用了旧的Entry数组。
int newCapacity = newTable.length;
for (int j = 0; j < src.length; j++) { // 遍历旧的Entry数组。
Entry<K,V> e = src[j]; // 取得旧Entry数组的每个元素。
if (e != null) {
src[j] = null;// 释放旧Entry数组的对象引用(for循环后,旧的Entry数组不再引用任何对象)
do {
Entry<K,V> next = e.next;
int i = indexFor(e.hash, newCapacity); //!!重新计算每个元素在数组中的位置。
e.next = newTable[i]; // 标记[1]
newTable[i] = e; // 将元素放在数组上。
e = next; // 访问下一个Entry链上的元素。
} while (e != null);
}
}
}
  • newTable[i]的引用赋给了e.next,也就是使用了单链表的头插入方式,同一位置上新元素总会被放在链表的头部位置,这样先放在一个索引上的元素终会被放到Entry链的尾部(如果发生了hash冲突的话),这一点和Jdk1.8有区别,下文详解,在旧数组中同一条Entry链上的元素,通过重新计算索引位置后,有可能被放到了新数组的不同位置上。
  • 下面举个例子说明下扩容过程,假设了我们的hash算法就是简单的用key mod 一下表的大小(也就是数组的长度),其中的Hash桶数组table的size=2,所以key = 3,7,5,put顺序依次为 5,7,3,在mod 2以后都冲突在table[1]这里了,这里假设负载因子 loadFactor=1,即当键值对的实际大小size 大于 table的实际大小时进行扩容,接下来的三个步骤是Hash桶数组 resize成4,然后所有的Node重新rehash的过程。
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  • 下面我们讲解下JDK1.8做了哪些优化,经过观测可以发现,我们使用的是2次幂的扩展(指长度扩为原来2倍),所以元素的位置要么是在原位置,要么是在原位置再移动2次幂的位置,看下图可以明白这句话的意思,n为table的长度,图(a)表示扩容前的key1和key2两种key确定索引位置的示例,图(b)表示扩容后key1和key2两种key确定索引位置的示例,其中hash1是key1对应的Hash与高位运算结果。
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  • 元素在重新计算hash之后,因为n变为2倍,那么n-1的mask范围在高位多1bit(红色),因此新的index就会发生这样的变化:
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  • 因此,我们在扩充HashMap的时候,不需要像JDK1.7的实现那样重新计算hash,只需要看看原来的hash值新增的那个bit是1还是0就好了,是0的话索引没变,是1的话索引变成"原索引+oldCap”,可以看看下图为16扩充为32的resize示意图:
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  • 这个设计确实非常的巧妙,既省去了重新计算hash值的时间,而且同时,由于新增的1bit是0还是1可以认为是随机的,因此resize的过程,均匀的把之前的冲突的节点分散到新的bucket了,这一块就是JDK1.8新增的优化点,有一点注意区别,JDK1.7中rehash的时候,旧链表迁移新链表的时候,如果在新表的数组索引位置相同,则链表元素会倒置,但是从上图可以看出,JDK1.8不会倒置,有兴趣的同学可以研究下JDK1.8的resize源码,写的很赞,如下:
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final Node<K,V>[] resize() {
Node<K,V>[] oldTab = table;
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
int oldThr = threshold;
int newCap, newThr = 0;
if (oldCap > 0) {
// 超过最大值就不再扩充了,就只好随你碰撞去吧。
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
// 没超过最大值,就扩充为原来的2倍。
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}
else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
newCap = oldThr;
else { // zero initial threshold signifies using defaults
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
// 计算新的resize上限。
if (newThr == 0) {

float ft = (float)newCap * loadFactor;
newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
(int)ft : Integer.MAX_VALUE);
}
threshold = newThr;
@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
table = newTab;
if (oldTab != null) {
// 把每个bucket都移动到新的buckets中。
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) {
oldTab[j] = null;
if (e.next == null)
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
else if (e instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
else { // 链表优化重hash的代码块。
Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
Node<K,V> next;
do {
next = e.next;
// 原索引。
if ((e.hash & oldCap) == 0) {
if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
}
// 原索引+oldCap
else {
if (hiTail == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
}
} while ((e = next) != null);
// 原索引放到bucket里。
if (loTail != null) {
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
// 原索引+oldCap放到bucket里。
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
return newTab;
}

线程安全性

在多线程使用场景中,应该尽量避免使用线程不安全的HashMap,而使用线程安全的ConcurrentHashMap,那么为什么说HashMap是线程不安全的,下面举例子说明在并发的多线程使用场景中使用HashMap可能造成死循环,代码例子如下(便于理解,仍然使用JDK1.7的环境):

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public class HashMapInfiniteLoop {

private static HashMap<Integer,String> map = new HashMap<Integer,String>(2,0.75f);
public static void main(String[] args) {
map.put(5,"C");

new Thread("Thread1") {
public void run() {
map.put(7, "B");
System.out.println(map);
};
}.start();
new Thread("Thread2") {
public void run() {
map.put(3, "A);
System.out.println(map);
};
}.start();
}
}
  • 其中,map初始化为一个长度为2的数组,loadFactor=0.75,threshold=2*0.75=1,也就是说当put第二个key的时候,map就需要进行resize
  • 通过设置断点让线程1和线程2同时debug到transfer方法(3.3小节代码块)的首行,注意此时两个线程已经成功添加数据,放开thread1的断点至transfer方法的"Entry next = e.next;” 这一行,然后放开线程2的的断点,让线程2进行resize,结果如下图。
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  • 注意,Thread1的 e 指向了key(3),而next指向了key(7),其在线程二rehash后,指向了线程二重组后的链表。
  • 线程一被调度回来执行,先是执行 newTalbe[i] = e,然后是e = next,导致了e指向了key(7),而下一次循环的next = e.next导致了next指向了key(3)
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  • e.next = newTable[i] 导致 key(3).next 指向了 key(7),注意:此时的key(7).next 已经指向了key(3),环形链表就这样出现了。
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  • 于是,当我们用线程一调用map.get(11)时,悲剧就出现了——Infinite Loop

JDK1.8与JDK1.7的性能对比

HashMap中,如果key经过hash算法得出的数组索引位置全部不相同,即Hash算法非常好,那样的话,getKey方法的时间复杂度就是O(1),如果Hash算法技术的结果碰撞非常多,假如Hash算极其差,所有的Hash算法结果得出的索引位置一样,那样所有的键值对都集中到一个桶中,或者在一个链表中,或者在一个红黑树中,时间复杂度分别为O(n)和O(lgn),鉴于JDK1.8做了多方面的优化,总体性能优于JDK1.7,下面我们从两个方面用例子证明这一点。

Hash较均匀的情况

为了便于测试,我们先写一个类Key,如下:

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class Key implements Comparable<Key> {

private final int value;

Key(int value) {
this.value = value;
}

@Override
public int compareTo(Key o) {
return Integer.compare(this.value, o.value);
}

@Override
public boolean equals(Object o) {
if (this == o) return true;
if (o == null || getClass() != o.getClass())
return false;
Key key = (Key) o;
return value == key.value;
}

@Override
public int hashCode() {
return value;
}
}
  • 这个类复写了equals方法,并且提供了相当好的hashCode函数,任何一个值的hashCode都不会相同,因为直接使用value当做hashcode,为了避免频繁的GC,我将不变的Key实例缓存了起来,而不是一遍一遍的创建它们,代码如下:
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public class Keys {

public static final int MAX_KEY = 10_000_000;
private static final Key[] KEYS_CACHE = new Key[MAX_KEY];

static {
for (int i = 0; i < MAX_KEY; ++i) {
KEYS_CACHE[i] = new Key(i);
}
}

public static Key of(int value) {
return KEYS_CACHE[value];
}
}
  • 现在开始我们的试验,测试需要做的仅仅是,创建不同size的HashMap(1,10,100,……10000000),屏蔽了扩容的情况,代码如下:
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static void test(int mapSize) {

HashMap<Key, Integer> map = new HashMap<Key,Integer>(mapSize);
for (int i = 0; i < mapSize; ++i) {
map.put(Keys.of(i), i);
}

long beginTime = System.nanoTime(); // 获取纳秒。
for (int i = 0; i < mapSize; i++) {
map.get(Keys.of(i));
}
long endTime = System.nanoTime();
System.out.println(endTime - beginTime);
}

public static void main(String[] args) {
for(int i=10;i<= 1000 0000;i*= 10){
test(i);
}
}
  • 在测试中会查找不同的值,然后度量花费的时间,为了计算getKey的平均时间,我们遍历所有的get方法,计算总的时间,除以key的数量,计算一个平均值,主要用来比较,绝对值可能会受很多环境因素的影响,结果如下:

  • 通过观测测试结果可知,JDK1.8的性能要高于JDK1.7 15%以上,在某些size的区域上,甚至高于100%,由于Hash算法较均匀,JDK1.8引入的红黑树效果不明显,下面我们看看Hash不均匀的的情况。

Hash极不均匀的情况

  • 假设我们又一个非常差的Key,它们所有的实例都返回相同的hashCode值,这是使用HashMap最坏的情况,代码修改如下:
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class Key implements Comparable<Key> {

//...

@Override
public int hashCode() {
return 1;
}
}
  • 仍然执行main方法,得出的结果如下表所示:

  • 从表中结果中可知,随着size的变大,JDK1.7的花费时间是增长的趋势,而JDK1.8是明显的降低趋势,并且呈现对数增长稳定,当一个链表太长的时候,HashMap会动态的将它替换成一个红黑树,这话的话会将时间复杂度从O(n)降为O(logn),hash算法均匀和不均匀所花费的时间明显也不相同,这两种情况的相对比较,可以说明一个好的hash算法的重要性。

测试环境:处理器为2.2 GHz Intel Core i7,内存为16 GB 1600 MHz DDR3,SSD硬盘,使用默认的JVM参数,运行在64位的OS X 10.10.1上。

总结

  1. 扩容是一个特别耗性能的操作,所以当程序员在使用HashMap的时候,估算map的大小,初始化的时候给一个大致的数值,避免map进行频繁的扩容。
  2. 负载因子是可以修改的,也可以大于1,但是建议不要轻易修改,除非情况非常特殊。
  3. HashMap是线程不安全的,不要在并发的环境中同时操作HashMap,建议使用ConcurrentHashMap
  4. JDK1.8引入红黑树大程度优化了HashMap的性能。

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