Java HashMap實現原理詳解

HashMap是Java集合框架中常見的一種數據結構，它提供了快速存儲、查找和刪除元素的能力。它是由數組和鏈表實現的鍵值對，通過哈希演算法來快速定位數組下標，避免了遍歷整個數組來查找元素的低效率問題。

一、HashMap基本概念

在了解HashMap的實現原理之前，需要掌握HashMap的基本概念。

1. HashMap的鍵值對

HashMap的元素由鍵和值組成，稱為鍵值對。HashMap中的鍵和值必須都是對象才能被存儲。通常使用String作為鍵。

2. 哈希演算法

哈希演算法是通過將任意長度的數據映射為固定長度的數據，通常是一個較小的整數值，稱為哈希值。哈希值可以快速地用於查找數組或其他數據結構中的數據，提高數據的訪問效率。

3. 鍵的唯一性

HashMap中的鍵是唯一的。如果向HashMap中添加元素時，鍵已經存在，那麼該元素的值將會覆蓋掉原有的值。如果元素的值為null，則鍵可以重複。

二、HashMap的實現原理

HashMap是由數組和鏈表組成的鍵值對，每個鍵值對稱為一個Entry對象。HashMap的核心就是通過哈希演算法，將鍵值對存儲到數組的不同位置中，然後通過鏈表將相同下標的元素串起來。

三、HashMap的put方法實現原理

put方法是HashMap中的核心操作，用於向HashMap中添加元素。其實現方式如下：

public V put(K key, V value) {
    if (key == null)
        return putForNullKey(value);
    int hash = hash(key);
    int i = indexFor(hash, table.length);
    for (Entry e = table[i]; e != null; e = e.next) {
        Object k;
        if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
            V oldValue = e.value;
            e.value = value;
            e.recordAccess(this);
            return oldValue;
        }
    }

    modCount++;
    addEntry(hash, key, value, i);
    return null;
}

在這個put方法中，有三個變數需要了解：

1. hash：通過hashCode()方法計算的鍵的哈希值。

2. i：計算出的鍵值對將要存儲的位置。

3. table：數組，用於存儲鍵值對。

put方法實現的流程如下：

1. 判斷鍵是否為null，如果是，直接調用putForNullKey方法，將值保存到map中，然後返回值。

2. 通過hash方法計算鍵的哈希值，然後通過indexFor方法計算出在table數組中的位置。

3. 從table數組中取出對應位置的元素，並遍歷這個元素的鏈表，查找是否有相同key的元素。

4. 如果找到了相同key的元素，則將新的值賦給元素的value，並返回原有的value。

5. 如果在鏈表中沒有找到相同key的元素，則將新的值添加到鏈表的最前面。

四、HashMap的get方法實現原理

get方法是用於獲取HashMap中指定鍵的值。其實現方式如下：

public V get(Object key) {
    if (key == null)
        return getForNullKey();
    Entry entry = getEntry(key);
    return null == entry ? null : entry.getValue();
}

final Entry getEntry(Object key) {
    int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
    for (Entry e = table[indexFor(hash, table.length)];
        e != null;
        e = e.next) {
        Object k;
        if (e.hash == hash &&
            ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            return e;
    }
    return null;
}

在這個get方法中，有三個變數需要了解：

1. hash：通過hashCode()方法計算的鍵的哈希值。

2. i：計算出的鍵值對在table數組中的位置。

3. table：數組，用於存儲鍵值對。

get方法實現的流程如下：

1. 如果鍵為null，則直接調用getForNullKey 方法獲取值。

2. 通過哈希演算法和indexFor方法查找元素在table數組中的位置。

3. 從table數組中取出對應位置的元素，並遍歷這個元素的鏈表，查找是否有相同的鍵，如果找到了，則返回對應的value。

4. 如果在鏈表中沒有找到相同key的元素，則返回null。

五、HashMap的容量和負載因子

HashMap的容量和負載因子是指table數組的長度和鍵值對個數之比。

當鍵值對的個數達到容量和負載因子的乘積時，就需要對table進行擴容。同時，在擴容時，需要將現有的元素重新哈希，然後存儲到新的table數組中。

在HashMap中，負載因子默認為0.75，即當鍵值對的個數達到75%的容量時，進行擴容。這是基於將數組長度設置為2的冪的演算法，確保哈希鏈表的最大長度為8位，從而提高了查找和插入元素的效率。

六、HashMap的使用場景

HashMap適用於需要快速查找、插入、刪除數據的場景。由於其底層是基於數組和鏈表實現的，因此處理大量數據時，執行效率較高。尤其是在需要頻繁遍曆元素的場景下，與傳統的數組和鏈表相比，其查找效率更高。

七、HashMap的例子

以下是一個簡單的HashMap例子，用於存儲人名和年齡：

public class HashMapExample {
    public static void main(String[] args) {
        HashMap<String, Integer> map = new HashMap<>();
        map.put("Tom", 30);
        map.put("Jerry", 25);
        map.put("Mike", 28);
        map.put("Lucy", 33);

        System.out.println("Tom's age is " + map.get("Tom")); // Tom's age is 30

        map.remove("Lucy");

        System.out.println("Map contains Lucy? " + map.containsKey("Lucy")); // Map contains Lucy? false

        for (Map.Entry<String, Integer> entry : map.entrySet()) {
            System.out.println(entry.getKey() + " is " + entry.getValue() + " years old.");
        }
    }
}

在這個例子中，我們創建了一個HashMap對象，並將四對鍵值對（人名和年齡）保存到HashMap中。然後通過get方法獲取Tom的年齡，再使用remove方法刪除Lucy，最後使用entrySet方法遍歷Map的所有元素，並輸出人名和年齡。

八、總結

本文探討了HashMap的原理和實現方式。我們深入了解了HashMap的數據結構，介紹了其put方法和get方法的實現原理，還介紹了HashMap的容量、負載因子以及使用場景。

HashMap在Java中使用廣泛，它提供了快速存儲、查找和刪除元素的能力，避免了遍歷整個數組來查找元素的低效率問題。相信通過本文的介紹，讀者能夠更全面地了解HashMap，並在實際開發中更加靈活地使用HashMap。