JDK1.8中HashMap如何应对hash冲突?
1 什么是hash冲突
我们知道HashMap底层是由数组+链表/红黑树构成的,
当我们通过put(key, value)向hashmap中添加元素时,需要通过散列函数确定元素究竟应该放置在数组中的哪个位置,当不同的元素被放置在了数据的同一个位置时,后放入的元素会以链表的形式,插在前一个元素的尾部,这个时候我们称发生了hash冲突。
2 如何解决hash冲突
事实上,想让hash冲突完全不发生,是不太可能的,我们能做的只是尽可能的降低hash冲突发生的概率:下面介绍在HashMap中是如何应对hash冲突的?
当我们向hashmap中put元素(key, value)时,最终会执行putVal()方法,而在putVal()方法中,又执行了hash(key)这个操作,并将执行结果作为参数传递给了putVal方法。那么我们先来看hash(key)方法干了什么。
public V put(K key, V value) {return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}static final int hash(Object key) {int h;// 判断key是否为null, 如果为null,则直接返回0;// 如果不为null,则返回(h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16)的执行结果return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
(h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16) 执行了三步操作 :我们一步一步来分析:
- 第1步:h = key.hashCode()
这一步会根据key值计算出一个int类型的h值也就是hashcode值,例如
"helloWorld".hashCode() --> -1554135584
"123456".hashCode() --> 1450575459
"我爱java".hashCode() --> -1588929438
至于hashCode()是如何根据key计算出hashcode值的,要分几种情况进行分析:
1. 如果我们使用的自己创建的对象,在我们没有重写hashCode()方法的情况下,会调用Object类的hashCode()方法,而此时返回就是对象的内存地址值,所以如果对象不同,那么通过hashcode()计算出的hashcode就是不同的。
2. 如果是使用java中定义的引用类型例如String,Integer等作为key,这些类一般都会重写hashCode()方法,有兴趣可以翻看一下对应的源码。简单来说,Integer类的hashCode()返回的就是Integer值,而String类型的hashCode()方法稍稍复杂一点,这里不做展开。总的来说,hashCode()方法的作用就是要根据不同的key得到不同的hashCode值。
- 第2步:h >>> 16
这一步将第1步计算出的h值无符号右移16位。 关于java的移位操作
为什么要右移16位,当然是位了第三步的操作。
- 第3步:h ^ (h >>> 16)
将hashcode值的高低16位进行异或操作(同0得0、同1得0、不同得1)得到hash值,举例说明:
假设h值为:1290846991
它的二进制数为:01001100 11110000 11000011 00001111
右移十六位之后:00000000 00000000 01001100 11110000
进行异或操作后:01001100 11110000 10001100 11110000
最终得到的hash值:1290833136
那么问题来了: 明明通过第一步得到的hashcode值就可以作为hash返回,为什么还要要进行第二步和第三步的操作呢?答案是为了减少hash冲突!
元素在数组中存放的位置是由下面这行代码决定的:
// 将(数组的长度-1)和hash值进行按位与操作:
i = (n - 1) & hash // i为数组对应位置的索引 n为当前数组的大小
我们将上面这步操作作为第4步操作,来对比一下执行1、2、3、4四个步骤和只执行第1、4两个步骤所产生的不同效果。
我们向hashmap中put两个元素node1(key1, value1)、node2(key2, value2),hashmap的数组长度n=16。
执行1、2、3、4 四个步骤:
1. h = key.hashCode() | |
假设计算的结果为:h = 3654061296 对应的二进制数为: 01101100 11100110 10001100 11110000 |
|
2. h >>> 16 | |
h无符号右移16位得到: 00000000 00000000 01101100 11100110 | |
3. hash = h ^ (h >>> 16) | |
异或操作后得到hash: 01101100 11110000 11100000 00000110 | |
4. i = (n-1) & hash | |
n-1=15 对应二进制数 : 00000000 00000000 00000000 00001111 hash : 01101100 11110000 11100000 00000110 hash & 15 : 00000000 00000000 00000000 00000110 转化为10进制 : &ensp 5 |
最终得到i的值为5,也就是说node1存放在数组索引为5的位置。
同理我们对(key2, value2) 进行上述同样的操作过程:
1. h = key.hashCode() | |
假设计算的结果为:h = 3652881648 对应的二进制数为: 01101100 11011101 10001100 11110000 |
|
2. h >>> 16 | |
h无符号右移16位得到: 00000000 00000000 01101100 11011101 | |
3. hash = h ^ (h >>> 16) | |
异或操作后得到hash: 01101100 11110000 11100000 00101101 | |
4. i = (n-1) & hash | |
n-1=15 对应二进制数 : 00000000 00000000 00000000 00001111 hash : 01101100 11110000 11100000 00101101 hash & 15 : 00000000 00000000 00000000 00001101 转化为10进制 : &ensp 13 |
最终得到i的值为13,也就是说node2存放在数组索引为13的位置
node1和node2存储的位置如下图所示:
执行1、4两个步骤:
1. h = key.hashCode() | |
计算的结果同样为:h = 3654061296 对应的二进制数为: 01101100 11100110 10001100 11110000 |
|
4. i = (n-1) & hash | |
n-1=15 对应二进制数 : 00000000 00000000 00000000 00001111 hash(h) : 01101100 11100110 10001100 11110000 hash & 15 : 00000000 00000000 00000000 00000000 转化为10进制 : 0 |
最终得到i的值为0,也就是说node1存放在数组索引为0的位置
同理我们对(key2, value2) 进行上述同样的操作过程:
1. h = key.hashCode() | |
计算的结果同样为:h = 3652881648 对应的二进制数为: 01101100 11011101 10001100 11110000 |
|
4. i = (n-1) & hash | |
n-1=15 对应二进制数 : 00000000 00000000 00000000 00001111 hash(h) : 01101100 11110000 11100000 11110000 hash & 15 : 00000000 00000000 00000000 00000000 转化为10进制 : 0 |
最终得到i的值为0,也就是说node2同样存放在数组索引为0的位置
node1和node2存储的位置如下图所示:
相信大家已经看出区别了:
当数组长度n较小时,n-1的二进制数高16位全部位0,这个时候如果直接和h值进行&(按位与)操作,那么只能利用到h值的低16位数据,这个时候会大大增加hash冲突发生的可能性,因为不同的h值转化为2进制后低16位是有可能相同的,如上面所举例子中:key1.hashCode()
和key2.hashCode()
得到的h值不同,一个h1 = 3654061296
,另一个h2 = 3652881648
,但是不幸的是这h1
、h2
两个数转化为2进制后低16位是完全相同的,所以h1 & (n-1)
和 h2 & (n-1)
会计算出相同的结果,这也导致了node1
和node2
存储在了数组索引相同的位置,发生了hash冲突。
当我们使用进行 h ^ (h >>> 16)
操作时,会将h的高16位数据和低16位数据进行异或操作,最终得出的hash值的高16位保留了h值的高16位数据,而hash值的低16数据则是h值的高低16位数据共同作用的结果。所以即使h1
和h2
的低16位相同,最终计算出的hash值低16位也大概率是不同的,降低了hash冲突发生的概率。
ps:
这里面还有一个值的注意的点: 为什么是(n-1)?
我们知道n是hashmap中数组的长度,那么为要进行n-1的操作?答案同样是为了降低hash冲突发生的概率!
要理解这一点,我们首先要知道HashMap规定了数组的长度n必须为2的整数次幂,至于为什么是2的整数次幂,会在HashMap的扩容方法resize()
里详细讲。
既然n为2的整数次幂,那么n一定是一个偶数。那么我们来比较i = hash & n
和 i = hash & (n-1)
有什么异同。
n为偶数,那么n转化为2进制后最低位一定为0,与hash进行按位与操作后最低位仍一定为0,这就导致i值只能为偶数,这样就浪费了数组中索引为奇数的空间,同时也增加了hash冲突发生的概率。
所以我们要执行n-1,得到一个奇数,这样n-1转化为二进制后低位一定为1,与hash进行按位与操作后最低位即可能位0也可能位1,这就是使得i值即可能为偶数,也可能为奇数,充分利用了数组的空间,降低hash冲突发生的概率。
至此, JDK1.8中 HashMap 是如何在存储元素时减少hash发生就讲解完毕了!
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