手写 Java HashMap 核心源码
手写 Java HashMap 核心源码
上一章手写 LinkedList 核心源码，本章我们来手写 Java HashMap 的核心源码。 我们来先了解一下 HashMap 的原理。HashMap 字面意思 hash + map，map 是映射的意思，HashMap 就是用 hash 进行映射的意思。不明白？没关系。我们来具体讲解一下 HashMap 的原理。
HashMap 使用分析
//1 存
HashMap<String,String> map = new HashMap<>();
map.put("name","tom");
//2 取
System.out.println(map.get("name"));//输出 tom使用就是这么简单。
HashMap 原理分析
我们知道，Object 类有一个 hashCode () 方法，返回对象的 hashCode 值，可以理解为返回了对象的内存地址，暂且不管返回的是内存地址或者其它什么也好，先不管，至于 hashCode () 方法回返的数是怎么算的？我们也不管
第 1 我们只需要记住：这个函数返回的是一个数就行了。 第 2 HashMap 内部是用了一个数组来存放数据
1 HashMap 是如何把 name,tom 存放的？ 下面我们用一张图来演示
从上图可以看出： 注：上图中数组的大小是 7，是多少都行，只是我们这里就画了 7 个元素，我们就以数组大小为 7 来说明 HashMap 的原理。
- 数组的大小是 7，那么数组的索引范围是 [0 , 6]
- 取得 key 也就是 "name" 的 hashCode，这是一个数，不管这个数是多少，对 7 进行取余数，那么范围肯定是 [0 , 6]，正好和数组的索引是一样的。
- "name".hashCode () % 7 的值假如为 2 ，那么 value 也就是 "tom" 应该存放的位置就是 2
- data [2] = "tom" , 存到数组中。是不是很巧妙。
2 下面再来看看如何取？ 也用一张图来演示底层原理，如下
由上图可知:
- 首先也是获取 key 也就是 "name" 的 hashCode 值
- 用 hashCode 值对数组的大小 7 进行取余数，和存的时候运行一样，肯定也是 2
- 从数组的第 2 个位置把 value 取出，即: String value = data [2]
注：有几点需要注意
- 某个对象的 hashCode () 方法返回的值，在任何时候调用，返回的值都是一样的
- 对一个数 n 取余数，范围是 [0, n - 1]
注：有几个问题需要解决
- 存的时候，如果不同的 key 的 hashCode 对数组取余数，都正好相同了，也就是都映射在了数组的同一位置，怎么办？这就是 hash 冲突问题 比如
9 % 7 == 2 ， 16 % 7 == 2都等于 2 答：数组中存放的是一个节点的数据结构，节点有 next 属性，如果 hash 冲突了，单链表进行存放，取的时候也是一样，遍历链表 - 如果数组已经存满了怎么办？ 答：和 ArrayList 一样，进行扩容，重新映射
- 直接使用 hashCode () 值进行映射，产生 hash 冲突的概论很大，怎么办？ 答：参考 JDK 中 HashMap 中的实现，有一个 hash () 函数，再对 hashCode () 的值进行运行一下，再进行映射
由上可知：HashMap 是用一个数组来存放数据，如果遇到映射的位置上面已经有值了，那么就用链表存放在当前的前面。数组 + 链表结构，是 HashMap 的底层结构 假如我们的数组里面存放的元素是 QEntry，如下图：
手写 HashMap 核心源码
上面分析了原理，接下来我们用最少的代码来提示 HashMap 的原理。 我们就叫 QHashMap 类，同时数组里面的元素需要也需要定义一个类，我们定义在 QHashMap 类的内部。就叫 QEntry
QEntry 的定义如下：
//底层数组中存放的元素类
public static class QEntry<K, V> {
K key; //存放key
V value; //存放value
int hash; //key对应的hash值
//hash冲突时，也就是映射的位置上已经有一个元素了
//那么新加的元素作为链表头，已经存放的放在后面
//即保存在next中，一句话：添加新元素时，添加在表头
QEntry<K, V> next;
public QEntry(K key, V value, int hash, QEntry<K, V> next) {
this.key = key;
this.value = value;
this.hash = hash;
this.next = next;
}
}QEntry 类的定义有了，下面看下 QHashMap 类中需要哪些属性？ QHashMap 类的定义如下图：
public class QHashMap<K, V> {
//默认的数组的大小
private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;
//默认的扩容因子，当数据中元素的个数越多时，hash冲突也容易发生
//所以，需要在数组还没有用完的情况下就开始扩容
//这个 0.75 就是元素的个数达到了数组大小的75%的时候就开始扩容
//比如数组的大小是100，当里面的元素增加到75的时候，就开始扩容
private static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
//存放元素的数组
private QEntry[] table;
//数组中元素的个数
private int size;
......
} 只需要两个常量和两个变量就够了。 下面我们看下 QHashMap 的构造函数，为了简单，只实现一个默认的构造函数
public QHashMap() {
//创建一个数组，默认大小为16
table = new QEntry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
//此时元素个数是0
size = 0;
}我们来看下 QHashMap 是如何存放数据的 map.put("name","tom") put () 函数的实现如下：
/**
* 1 参数key,value很容易理解
* 2 返回V，我们知道，HashMap有一个特点，
* 如果调用了多次 map.put("name","tom"); map.put("name","lilei");
* 后面的值会把前面的覆盖，如果出现这种情况，返回旧值，在这里返回"tom"
*/
public V put(K key, V value) {
//1 为了简单，key不支持null
if (key == null) {
throw new RuntimeException("key is null");
}
//不直接用key.hashCode()，我们对key.hashCode()再作一次运算作为hash值
//这个hash()的方法我是直接从HashMap源码拷贝过来的。可以不用关心hash()算法本身
//只需要知道hash()输入一个数，返回一个数就行了。
int hash = hash(key.hashCode());
//用key的hash值和数组的大小，作一次映射，得到应该存放的位置
int index = indexFor(hash, table.length);
//看看数组中，有没有已存在的元素的key和参数中的key是相等的
//相等则把老的值替换成新的，然后返回旧值
QEntry<K, V> e = table[index];
while (e != null) {
//先比较hash是否相等，再比较对象是否相等，或者比较equals方法
//如果相等了，说明有一样的key,这时要更新旧值为新的value,同时返回旧的值
if (e.hash == hash && (key == e.key || key.equals(e.key))) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
return oldValue;
}
e = e.next;
}
//如果数组中没有元素的key与传的key相等的话
//把当前位置的元素保存下来
QEntry<K, V> next = table[index];
//next有可能为null，也有可能不为null，不管是否为null
//next都要作为新元素的下一个节点(next传给了QEntry的构造函数)
//然后新的元素保存在了index这个位置
table[index] = new QEntry<>(key, value, hash, next);
//如果需要扩容，元素的个数大于 table.length * 0.75 (别问为什么是0.75，经验)
if (size++ >= (table.length * DEFAULT_LOAD_FACTOR)) {
resize();
}
return null;
}注释很详细，这里有几个函数 hash () 函数是直接从 HashMap 源码中拷贝的，不用纠结这个算法。 indexFor ()，传入 hash 和数组的大小，从而知道我们应该去哪个位置查找或保存 这两个函数的源码如下：
//对hashCode进行运算，JDK中HashMap的实现，直接拷贝过来了
static int hash(int h) {
h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}
//根据 h 求key落在数组的哪个位置
static int indexFor(int h, int length) {
//或者 return h & (length-1) 性能更好
//这里我们用最容易理解的方式，对length取余数，范围就是[0,length - 1]
//正好是table数组的所有的索引的范围
h = h > 0 ? h : -h; //防止负数
return h % length;
}还有一个扩容函数。当元素的个数大于 table.length * 0.75 时，我们就开始扩容 resize () 的源码如下 ：
//扩容，元素的个数大于 table.length * 0.75
//数组扩容到原来大小的2倍
private void resize() {
//新建一个数组，大小为原来数组大小的2倍
int newCapacity = table.length * 2;
QEntry[] newTable = new QEntry[newCapacity];
QEntry[] src = table;
//遍历旧数组，重新映射到新的数组中
for (int j = 0; j < src.length; j++) {
//获取旧数组元素
QEntry<K, V> e = src[j];
//释放旧数组
src[j] = null;
//因为e是一个链表，有可能有多个节点，循环遍历进行映射
while (e != null) {
//把e的下一个节点保存下来
QEntry<K, V> next = e.next;
//e这个当前节点进行在新的数组中映射
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
//newTable[i] 位置上有可能是null，也有可能不为null
//不管是否为null，都作为e这个节点的下一个节点
e.next = newTable[i];
//把e保存在新数组的 i 的位置
newTable[i] = e;
//继续e的下一个节点的同样的处理
e = next;
}
}
//所有的节点都映射到了新数组上，别忘了把新数组的赋值给table
table = newTable;
}相比 put () 函数来说，get () 就简单多了。 只需要通过 hash 值找到相应的数组的位置，再遍历链表，找到一个元素里面的 key 与传的 key 相等就行了。 put () 方法的源码如下：
//根据key获取value
public V get(K key) {
//同样为了简单，key不支持null
if (key == null) {
throw new RuntimeException("key is null");
}
//对key进行求hash值
int hash = hash(key.hashCode());
//用hash值进行映射，得到应该去数组的哪个位置上取数据
int index = indexFor(hash, table.length);
//把index位置的元素保存下来进行遍历
//因为e是一个链表，我们要对链表进行遍历
//找到和key相等的那个QEntry，并返回value
QEntry<K, V> e = table[index];
while (e != null) {
//比较 hash值是否相等
if (hash == e.hash && (key == e.key || key.equals(e.key))) {
return e.value;
}
//如果不相等，继续找下一个
e = e.next;
}
return null;
}博主都是部署在cnaaa服务器上的上面就是 QHashMap 的核心源码，我们没有实现删除。 下面是把 QHashMap 整个类的源码发出来
QHashMap 完整源码如下：
public class QHashMap<K, V> {
//默认的数组的大小
private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;
//默认的扩容因子，当数组的大小大于或者等于当前容量 * 0.75的时候，就开始扩容
private static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
//底层用一个数组来存放数据
private QEntry[] table;
//数组大小
private int size;
//一个点节，数组中存放的单位
public static class QEntry<K, V> {
K key;
V value;
int hash;
QEntry<K, V> next;
public QEntry(K key, V value, int hash, QEntry<K, V> next) {
this.key = key;
this.value = value;
this.hash = hash;
this.next = next;
}
}
public QHashMap() {
table = new QEntry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
size = 0;
}
//根据key获取value
public V get(K key) {
//同样为了简单，key不支持null
if (key == null) {
throw new RuntimeException("key is null");
}
//对key进行求hash值
int hash = hash(key.hashCode());
//用hash值进行映射，得到应该去数组的哪个位置上取数据
int index = indexFor(hash, table.length);
//把index位置的元素保存下来进行遍历
//因为e是一个链表，我们要对链表进行遍历
//找到和key相等的那个QEntry，并返回value
QEntry<K, V> e = table[index];
while (e != null) {
//比较 hash值是否相等
if (hash == e.hash && (key == e.key || key.equals(e.key))) {
return e.value;
}
//如果不相等，继续找下一个
e = e.next;
}
return null;
}
/**
* 1 参数key,value很容易理解
* 2 返回V，我们知道，HashMap有一个特点，
* 如果调用了多次 map.put("name","tom"); map.put("name","lilei");
* 后面的值会把前面的覆盖，如果出现这种情况，返回旧值，在这里返回"tom"
*/
public V put(K key, V value) {
//1 为了简单，key不支持null
if (key == null) {
throw new RuntimeException("key is null");
}
//不直接用key.hashCode()，我们对key.hashCode()再作一次运算作为hash值
//这个hash()的方法我是直接从HashMap源码拷贝过来的。可以不用关心hash()算法本身
//只需要知道hash()输入一个数，返回一个数就行了。
int hash = hash(key.hashCode());
//用key的hash值和数组的大小，作一次映射，得到应该存放的位置
int index = indexFor(hash, table.length);
//看看数组中，有没有已存在的元素的key和参数中的key是相等的
//相等则把老的值替换成新的，然后返回旧值
QEntry<K, V> e = table[index];
while (e != null) {
//先比较hash是否相等，再比较对象是否相等，或者比较equals方法
//如果相等了，说明有一样的key,这时要更新旧值为新的value,同时返回旧的值
if (e.hash == hash && (key == e.key || key.equals(e.key))) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
return oldValue;
}
e = e.next;
}
//如果数组中没有元素的key与传的key相等的话
//把当前位置的元素保存下来
QEntry<K, V> next = table[index];
//next有可能为null，也有可能不为null，不管是否为null
//next都要作为新元素的下一个节点(next传给了QEntry的构造函数)
//然后新的元素保存在了index这个位置
table[index] = new QEntry<>(key, value, hash, next);
//如果需要扩容，元素的个数大于 table.length * 0.75 (别问为什么是0.75，经验)
if (size++ >= (table.length * DEFAULT_LOAD_FACTOR)) {
resize();
}
return null;
}
//扩容，元素的个数大于 table.length * 0.75
//数组扩容到原来大小的2倍
private void resize() {
//新建一个数组，大小为原来数组大小的2倍
int newCapacity = table.length * 2;
QEntry[] newTable = new QEntry[newCapacity];
QEntry[] src = table;
//遍历旧数组，重新映射到新的数组中
for (int j = 0; j < src.length; j++) {
//获取旧数组元素
QEntry<K, V> e = src[j];
//释放旧数组
src[j] = null;
//因为e是一个链表，有可能有多个节点，循环遍历进行映射
while (e != null) {
//把e的下一个节点保存下来
QEntry<K, V> next = e.next;
//e这个当前节点进行在新的数组中映射
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
//newTable[i] 位置上有可能是null，也有可能不为null
//不管是否为null，都作为e这个节点的下一个节点
e.next = newTable[i];
//把e保存在新数组的 i 的位置
newTable[i] = e;
//继续e的下一个节点的同样的处理
e = next;
}
}
//所有的节点都映射到了新数组上，别忘了把新数组的赋值给table
table = newTable;
}
//对hashCode进行运算，JDK中HashMap的实现，直接拷贝过来了
static int hash(int h) {
h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}
//根据 h 求key落在数组的哪个位置
static int indexFor(int h, int length) {
//或者 return h & (length-1) 性能更好
//这里我们用最容易理解的方式，对length取余数，范围就是[0,length - 1]
//正好是table数组的所有的索引的范围
h = h > 0 ? h : -h; //防止负数
return h % length;
}
}上面就是 QHashMap 的原理。下面我们写一段测试代码来看下我们的 QHashMap 能不能正常运行。测试代码如下：
public static void main(String[] args) {
QHashMap<String, String> map = new QHashMap<>();
map.put("name", "tom");
map.put("age", "23");
map.put("address", "beijing");
String oldValue = map.put("address", "shanghai"); //key一样，返回旧值，保存新值
System.out.println(map.get("name"));
System.out.println(map.get("age"));
System.out.println("旧值=" + oldValue);
System.out.println("新值=" + map.get("address"));
}输出如下：
tom
23
旧值=beijing
新值=shanghai通过上面的简单的实现了 QHashMap, 还有好多功能没有实现，比较 remove,clear,containsKey () 等，还有遍历相关，有兴趣的读者可以自己实现
