手写HashMap

在Java中，HashMap是一种散列表，它存储键值对，并可以通过键进行快速检索。HashMap同样也是我们日常开发中使用非常广泛的数据结构之一，因此，了解HashMap的工作原理及手动实现HashMap是我们开发Java应用程序的必备技能之一。本文将会从多个方面对手写HashMap进行详细阐述，帮助读者全面了解HashMap的运作原理及具体实现。

一、HashMap的概述

HashMap是一个散列表，它是Java Collection Framework中的一部分。HashMap以键值对(Key-Value Pairs)的形式存储数据，Key可以通过hashCode()方法被哈希为一个整数，并被哈希表作为索引来保存数据的地址

HashMap的作用就是能够在O(1)的时间复杂度内实现增删改查。其中，增加操作put()，删除操作remove()，获取操作get()，都可以通过键直接进行访问，极大的提高了我们的开发效率。

二、HashMap的实现原理

HashMap的实现原理主要基于哈希表，每个元素都以Key-Value的形式保存在一个桶(bucket)中。当进行查找操作时，首先根据Key哈希为一个整数，然后根据这个整数映射到桶中，从而找到Key所在的位置。

一、哈希函数

哈希函数是HashMap中的一个重要概念，哈希函数将传入的Key转换为一个哈希码(hashCode)，通过哈希码在底层数组中进行查找。哈希函数映射的哈希码越分布越均匀，则冲突的概率也就越小，HashMap的效率也就越高。

public int hashCode() {
    int h = hash;
    if (h == 0 && value.length > 0) {
        char val[] = value;

        for (int i = 0; i < value.length; i++) {
            h = 31 * h + val[i];
        }
        hash = h;
    }
    return h;
}

我们可以看到，hashCode()函数返回一个int类型的哈希码，这个哈希码由Java提供的一个特定的公式生成，该公式的目的是让生成的哈希码分布得越均匀越好。

二、哈希冲突的解决方法

当不同的Key通过哈希函数产生的哈希码相同时，就会发生哈希冲突。哈希冲突时，需要使用链表或红黑树等数据结构来解决，这也是HashMap为什么能够在时间复杂度为O(1)内实现高效增删改查的原因。

HashMap中链表的长度阈值为8，如果同一个桶内链表长度超过了8，则该链表会转换为红黑树，以提高查找效率。如果删除元素后，链表长度小于等于6，则将红黑树转换为链表。

三、手写HashMap的实现

为了直观地展示HashMap的工作原理，我们接下来将手动实现一个简单的HashMap。

一、初始化HashMap

我们首先定义一个简单的HashMap类，它包含一个Node数组和一个长度变量size：

public class MyHashMap {
    private Node[] arr;
    private int size;
}

在构造函数中，我们需要对Node数组进行初始化，这里我们设置数组大小为10：

public MyHashMap() {
    arr = new Node[10];
}

二、实现put方法

put方法是向HashMap中添加Key-Value对的方法。我们需要通过Key的哈希值来确定该元素在Node数组中的位置，并且，当哈希冲突时，需要使用链表将其保存。put方法的实现过程如下：

public void put(int key, int value) {
    int index = key % arr.length;

    if (arr[index] == null) {
        arr[index] = new Node(key, value);
        size++;
    } else {
        Node node = arr[index];

        while (node.next != null) {
            if (node.next.key == key) {
                node.next.value = value;
                return;
            }
            node = node.next;
        }

        if (node.key == key) {
            node.value = value;
        } else {
            node.next = new Node(key, value);
            size++;
        }
    }
}

可以看到，我们首先通过Key计算出其哈希值，然后用哈希值来确定该key在Node数组中的位置。如果该位置为空，则直接在该位置插入一个新的Node，如果该位置不为空，则需要遍历链表来查找该Key，如果找到，则更新其Value值，否则，在该链表尾部添加一个新的Node节点。

三、实现get方法

get方法是获取HashMap中指定Key对应的Value值的方法。与put方法类似，get方法也需要通过Key的哈希值来确定该元素在Node数组中的位置。get方法的实现过程如下：

public int get(int key) {
    int index = key % arr.length;
    Node node = arr[index];

    while (node != null) {
        if (node.key == key) {
            return node.value;
        }
        node = node.next;
    }

    return -1;
}

可以看到，我们通过Key计算出其哈希值，然后用哈希值来确定该key在Node数组中的位置。如果该位置为空，则该Key不存在于HashMap中，返回-1；否则，遍历链表来查找该Key，如果找到，则返回对应的Value值。

四、HashMap的使用

手写的MyHashMap虽然不如Java原生的HashMap强大，但是其原理和简洁的代码十分直观，值得用于学习和理解HashMap的工作原理。下面我们来看一下如何使用Java原生的HashMap:

HashMap<String, String> map = new HashMap<>();
map.put("Key1", "Value1");
map.put("Key2", "Value2);

String value1 = map.get("Key1");
String value2 = map.get("Key2");

如上述代码所示，我们可以轻松地使用Java原生的HashMap进行操作，并可以在一次代码调用中实现快速地增删改查。

总结

本文以手写HashMap为中心，详细介绍了HashMap的工作原理及具体实现。HashMap作为一个重要的数据结构，能够在Java开发中发挥重要作用。如果不仅限于Java开发，类似HashMap的数据结构在其他领域同样具有重要的意义。了解HashMap以及其他相关数据结构的工作原理及实现，将有助于我们更好地理解算法原理，提高开发效率。