HashMap的數據結構

1.HashMap的數據結構

　　數組的特點是：尋址容易，插入和刪除困難；而鏈表的特點是：尋址困難，插入和刪除容易。那麼我們能不能綜合兩者的特性，做出一種尋址容易，插入刪除也容易的數據結構？答案是肯定的，這就是我們要提起的哈希表，哈希表有多種不同的實現方法，我接下來解釋的是最常用的一種方法—— 拉鍊法，我們可以理解爲“鏈表的數組” ，如圖：

　　從上圖我們可以發現哈希表是由數組+鏈表組成的，一個長度爲16的數組中，每個元素存儲的是一個鏈表的頭結點。那麼這些元素是按照什麼樣的規則存儲到數組中呢。一般情況是通過hash(key)%len獲得，也就是元素的key的哈希值對數組長度取模得到。比如上述哈希表中，12%16=12,28%16=12,108%16=12,140%16=12。所以12、28、108以及140都存儲在數組下標爲12的位置。

　　HashMap其實也是一個線性的數組實現的,所以可以理解爲其存儲數據的容器就是一個線性數組。這可能讓我們很不解，一個線性的數組怎麼實現按鍵值對來存取數據呢？這裏HashMap有做一些處理。

　　1.首先HashMap裏面實現一個靜態內部類Entry，其重要的屬性有 key , value, next，從屬性key,value我們就能很明顯的看出來Entry就是HashMap鍵值對實現的一個基礎bean，我們上面說到HashMap的基礎就是一個線性數組，這個數組就是Entry[]，Map裏面的內容都保存在Entry[]裏面。

2.HashMap的存取實現

     既然是線性數組，爲什麼能隨機存取？這裏HashMap用了一個小算法，大致是這樣實現：

//存儲時:
int hash = key.hashCode();// 這個hashCode方法這裏不詳述,只要理解每個key的hash是一個固定的int值
int index = hash % Entry[].length;
Entry[index] = value;

//取值時:
int hash = key.hashCode();
int index = hash % Entry[].length;
return Entry[index];

到這裏我們輕鬆的理解了HashMap通過鍵值對實現存取的基本原理

    3.疑問：如果兩個key通過hash%Entry[].length得到的index相同，會不會有覆蓋的危險？

　　這裏HashMap裏面用到鏈式數據結構的一個概念。上面我們提到過Entry類裏面有一個next屬性，作用是指向下一個Entry。打個比方， 第一個鍵值對A進來，通過計算其key的hash得到的index=0，記做:Entry[0] = A。一會後又進來一個鍵值對B，通過計算其index也等於0，現在怎麼辦？HashMap會這樣做:B.next = A,Entry[0] = B,如果又進來C,index也等於0,那麼C.next = B,Entry[0] = C；這樣我們發現index=0的地方其實存取了A,B,C三個鍵值對,他們通過next這個屬性鏈接在一起。所以疑問不用擔心。也就是說數組中存儲的是最後插入的元素。到這裏爲止，HashMap的大致實現，我們應該已經清楚了。

　　當然HashMap裏面也包含一些優化方面的實現，這裏也說一下。比如：Entry[]的長度一定後，隨着map裏面數據的越來越長，這樣同一個index的鏈就會很長，會不會影響性能？HashMap裏面設置一個因素（也稱爲因子），隨着map的size越來越大，Entry[]會以一定的規則加長長度。

3.解決hash衝突的辦法

1. 開放定址法（線性探測再散列，二次探測再散列，僞隨機探測再散列）
2. 再哈希法
3. 鏈地址法
4. 建立一個公共溢出區

Java中hashmap的解決辦法就是採用的鏈地址法。

4.實現自己的HashMap

 

Entry.java

package edu.sjtu.erplab.hash;

public class Entry<K,V>{
    final K key;
    V value;
    Entry<K,V> next;//下一個結點
 
    //構造函數
    public Entry(K k, V v, Entry<K,V> n) {
        key = k;
        value = v;
        next = n;
    }

    public final K getKey() {
        return key;
    }

    public final V getValue() {
        return value;
    }

    public final V setValue(V newValue) {
    V oldValue = value;
        value = newValue;
        return oldValue;
    }

    public final boolean equals(Object o) {
        if (!(o instanceof Entry))
            return false;
        Entry e = (Entry)o;
        Object k1 = getKey();
        Object k2 = e.getKey();
        if (k1 == k2 || (k1 != null && k1.equals(k2))) {
            Object v1 = getValue();
            Object v2 = e.getValue();
            if (v1 == v2 || (v1 != null && v1.equals(v2)))
                return true;
        }
        return false;
    }

    public final int hashCode() {
        return (key==null   ? 0 : key.hashCode()) ^ (value==null ? 0 : value.hashCode());
    }

    public final String toString() {
        return getKey() + "=" + getValue();
    }

}

MyHashMap.java

package edu.sjtu.erplab.hash;

//保證key與value不爲空
public class MyHashMap<K, V> {
    private Entry[] table;//Entry數組表
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;//默認數組長度
    private int size;

    // 構造函數
    public MyHashMap() {
        table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
        size = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
    }

    //獲取數組長度
    public int getSize() {
        return size;
    }
    
    // 求index
    static int indexFor(int h, int length) {
        return h % (length - 1);
    }

    //獲取元素
    public V get(Object key) {
        if (key == null)
            return null;
        int hash = key.hashCode();// key的哈希值
        int index = indexFor(hash, table.length);// 求key在數組中的下標
        for (Entry<K, V> e = table[index]; e != null; e = e.next) {
            Object k = e.key;
            if (e.key.hashCode() == hash && (k == key || key.equals(k)))
                return e.value;
        }
        return null;
    }

    // 添加元素
    public V put(K key, V value) {
        if (key == null)
            return null;
        int hash = key.hashCode();
        int index = indexFor(hash, table.length);

        // 如果添加的key已經存在，那麼只需要修改value值即可
        for (Entry<K, V> e = table[index]; e != null; e = e.next) {
            Object k = e.key;
            if (e.key.hashCode() == hash && (k == key || key.equals(k))) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                return oldValue;// 原來的value值
            }
        }
        // 如果key值不存在，那麼需要添加
        Entry<K, V> e = table[index];// 獲取當前數組中的e
        table[index] = new Entry<K, V>(key, value, e);// 新建一個Entry，並將其指向原先的e
        return null;
    }

}

MyHashMapTest.java

package edu.sjtu.erplab.hash;

public class MyHashMapTest {

    public static void main(String[] args) {

        MyHashMap<Integer, Integer> map = new MyHashMap<Integer, Integer>();
        map.put(1, 90);
        map.put(2, 95);
        map.put(17, 85);
    
        System.out.println(map.get(1));
        System.out.println(map.get(2));
        System.out.println(map.get(17));
        System.out.println(map.get(null));
    }
}