【Java从入门到放弃 之 HashMap 和 HashSet】

HashMap 和 HashSet

• HashMap
• • 详细介绍
  • HashMap的数据结构
  • Hashmap的put方法的参数hash怎么计算
  • [JDK1.8 hashmap为什么引入红黑树](#JDK1.8 hashmap为什么引入红黑树)
  • 基本用法
  • 总结
• HashSet
• • Set基本用法

HashMap

HashMap 是 Java 集合框架中的一个类，它实现了 Map 接口，提供了一种基于哈希表的数据结构来存储键值对（key-value pairs）。HashMap 允许使用 null 作为键或值，并且不保证映射的顺序（特别是它们不会保持插入顺序）。

详细介绍

1. 概述
   定义：HashMap 是一种以哈希表为基础的实现，提供了常数时间复杂度 O(1) 的基本操作（如 get 和 put），假设哈希函数分布均匀。
   特点：
   1. 线程不安全：与 Hashtable 不同，HashMap 不是同步的，因此在多线程环境中需要额外的同步机制。
   2. 允许一个 null 键和多个 null 值：可以包含一个 null 键和任意数量的 null 值。
   3. 无序：不保证元素的迭代顺序；如果需要有序，可以考虑使用 LinkedHashMap 或 TreeMap。
2. 内部工作原理
   HashMap 内部使用数组和链表（或红黑树）相结合的方式来存储键值对。每个数组元素被称为"桶"（bucket），其中可能包含一个链表或红黑树，用于处理哈希冲突（即不同键映射到同一个桶的情况）。
   1. 哈希函数
      HashMap 使用键对象的 hashCode() 方法计算哈希码，然后通过某种算法将哈希码映射到数组的一个索引位置。
      如果两个不同的键具有相同的哈希码，或者不同的哈希码但映射到了同一个桶，则会发生哈希冲突。此时，这些键值对会被添加到同一个桶的链表中。
   2. 解决哈希冲突
      链地址法（Separate Chaining）：默认情况下，HashMap 使用链表来解决哈希冲突。当链表长度超过一定阈值时（默认为8），链表会转换为红黑树，以提高查找效率。
      红黑树优化：从 Java 8 开始，当某个桶中的节点数量达到特定阈值时，HashMap 会将该桶中的链表转换为红黑树，从而将最坏情况下的时间复杂度从 O(n) 降低到 O(log n)。

HashMap的数据结构

HashMap本质上是一个一定长度的数组，数组中存放的是链表。它是一个Entry类型的数组。

Entry的源码

    static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final int hash;
        final K key;
        V value;
        Node<K,V> next;
    }

其中存放了key value hash的值 还有指向下一个元素的引用。

1. 当向HashMap中put(key,value)时，会首先通过hash算法计算出存放到数组中的位置，比如位置索引为i，将其放入到Entry[i]中
2. 如果这个位置上面已经有元素了，那么就将新加入的元素放在链表的头上(JDK1.7是头插，JDK1.8是尾插)，最先加入的元素在链表尾。比如，第一个键值对A进来，通过计算其key的hash得到的index=0，记做:Entry[0] =A。一会后又进来一个键值对B，通过计算其index也等于0，现在怎么办?HashMap会这样做:B.next = A,Entry[0]= B,如果又进来C,index也等于0那么C.next = B,Entry[0] = C;这样我们发现index=0的地方其实存取了A,B,C三个键值对,他们通过next这个属性链接在一起,也就是说数组中存储的是最后插入的元素。

Hashmap的put方法的参数hash怎么计算

 static final int hash(object key){
     int h;
     return (key == null)? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
 }

• 当key = null时, hash值=0，所以HashMap的key可为null
  注:对比HashTable，HashTable对key直接hashCode () ，若key为null时，会抛出异常，所以HashTable的key不可为null
• 当key ≠ null时，则通过先计算出key的 hashCode()(记为h)，然后对哈希码进行扰动处理:按位异或()哈希码自身右移16位后的二进制

JDK1.8 hashmap为什么引入红黑树

由于在JDK1.7之前，HashMap的数据结构为:数组+链表。

链表来存储hash值一样的key-value.如果按照链表的方式存储，随着节点的增加数据会越来越多，这会导致查询节点的时间复杂度会逐渐增加，平均时间复杂度O(n)。为了提高查询效率，故在JDK1.8中引入了改进方法红黑树。此数据结构的平均查询效率为O(logn)。

基本用法

    public interface Map<K, V> { //K和V是类型参数，分别表示键(Key)和值(Value)的类型
        V put(K key, V value); //保存键值对，如果原来有key，覆盖，返回原来的值
        V get(Object key); //根据key获取值， 没找到，返回null
        V remove(Object key); //根据key删除键值对， 返回key原来的值，如果不存在，返回null
        int size(); //查看Map中键值对的个数
        boolean isEmpty(); //是否为空
        boolean containsKey(Object key); //查看是否包含某个key
        boolean containsValue(Object value); //查看是否包含某个value
        void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m); //保存m中的所有键值对到当前Map
        void clear(); //清空Map中所有键值对
        Set<K> keySet(); //获取Map中所有key
        Collection<V> values(); //获取Map中所有值
        Set<Map.Entry<K, V>> entrySet(); //获取Map中的所有键值对
        interface Entry<K, V> { 
            K getKey(); // 获取key
            V getValue(); // 获取value
            V setValue(V value);
            boolean equals(Object o);
            int hashCode();
        }
        boolean equals(Object o);
        int hashCode();
    }
    boolean containsValue(Object value);
    Set<K> keySet();

总结

HashMap实现了Map接口，可以方便地存储键值对。内部时采用数组链表（后面jdk8之后会转红黑树）进行实现。有下列特点：

1. 根据key或者value的效率很高越等与O（1）
2. hashmap中的键值对没有顺序，因为求出来的hash时随机分布的

HashSet

HashSet内部时由HashMap实现的，它内部持有一个Hashmap的实例变量。

public class HashSet<E> extends AbstractSet<E> implements Set<E>, Cloneable, java.io.Serializable
{
    @java.io.Serial
    static final long serialVersionUID = -5024744406713321676L;

    private transient HashMap<E,Object> map;

    // Dummy value to associate with an Object in the backing Map
    private static final Object PRESENT = new Object();

    /**
     * Constructs a new, empty set; the backing {@code HashMap} instance has
     * default initial capacity (16) and load factor (0.75).
     */
    public HashSet() {
        map = new HashMap<>();
    }
}

    // Dummy value to associate with an Object in the backing Map
    private static final Object PRESENT = new Object();

我们知道map是由key value键值对组成的。 HashSet的里面的map实例的value固定为PRESENT 这个变量。

Set基本用法

    public interface Set<E> extends Collection<E> {
        int size();
        boolean isEmpty();
        boolean contains(Object o);
        Iterator<E> iterator();
        Object[] toArray();
        <T> T[] toArray(T[] a);
        boolean add(E e);
        boolean remove(Object o);
        boolean containsAll(Collection<? > c);
        boolean addAll(Collection<? extends E> c);
        boolean retainAll(Collection<? > c);
        boolean removeAll(Collection<? > c);
        void clear();
        boolean equals(Object o);
        int hashCode();
    }