每日计算机知识-List为什么不能做HashMap的Key？

在Java中，HashMap 是一种基于哈希表的数据结构，它要求键（Key）必须满足以下条件：

不可变性（Immutability） ：键对象必须是不可变的，或者在作为键期间其状态不能发生变化。这是因为 HashMap 依赖于键的哈希码（hashCode）和相等性（equals）来判断键的唯一性和存储位置。如果键对象在插入后发生了变化，可能会导致哈希码改变，从而无法正确找到或删除对应的值。
一致性（Consistency） ：键对象的 hashCode() 和 equals() 方法必须保持一致。也就是说，如果两个对象通过 equals() 方法比较为相等，那么它们的 hashCode() 必须相同；反之，如果 hashCode() 相同，equals() 不一定返回 true，但 hashCode() 不同则 equals() 必须返回 false。

实际上，在其他语言里面，也是一样的。

为什么 `List` 不能作为 `HashMap` 的键？

List 是一个可变集合，它的内容可以随时被修改。如果将 List 作为 HashMap 的键，可能会导致以下问题：

哈希码不一致 ：List 的 hashCode() 方法是基于其内容的。如果 List 的内容发生变化，其哈希码也会随之改变。这会导致 HashMap 无法正确找到或删除对应的值，因为 HashMap 使用的是插入时的哈希码来定位存储位置。
违反契约 ：HashMap 依赖于键的 hashCode() 和 equals() 方法的一致性。如果 List 的内容发生变化，hashCode() 和 equals() 的结果可能会不一致，从而违反 HashMap 的契约。

示例

arduino 复制代码

import java.util.HashMap;
import java.util.List;
import java.util.Arrays;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        HashMap<List<String>, String> map = new HashMap<>();
        List<String> key = Arrays.asList("a", "b");
        map.put(key, "value");

        // 修改 key 的内容
        key.add("c");

        // 由于 key 的哈希码发生了变化，无法正确获取值
        System.out.println(map.get(key)); // 输出: null
    }
}

在上面的例子中，key 是一个 List，在插入 HashMap 后，key 的内容被修改了。由于 List 是可变的，修改后其哈希码发生了变化，导致 HashMap 无法正确找到对应的值。

hashcode的计算方法

在 Java 中，List 接口的实现类（如 ArrayList、LinkedList 等）的 hashCode() 方法是通过遍历列表中的所有元素，并根据每个元素的哈希码计算得出的。具体来说，List 的 hashCode() 实现遵循以下规则：

`List.hashCode()` 的计算规则

List 的 hashCode() 方法通常基于以下公式计算：

ini 复制代码

s = 1
for (E e : list) {
    s = 31 * s + (e == null ? 0 : e.hashCode())
}
return s

详细解释：

初始值：
- 计算开始时，s 被初始化为 1。
遍历元素：
- 对于列表中的每一个元素 e，执行以下步骤：
  - 如果元素 e 为 null，则其哈希码视为 0。
  - 否则，使用元素 e 的 hashCode() 方法获取其哈希码。
  - 更新 s 的值为 31 * s + 当前元素的哈希码。
返回结果：
- 遍历完所有元素后，s 即为列表的最终哈希码。

为什么选择 31？

性能优化 ：31 是一个奇素数，且 31 * i 可以被优化为 (i << 5) - i，这在某些 JVM 实现中可以提高计算效率。
减少冲突：选择一个适当的素数有助于减少不同对象产生相同哈希码的概率，从而提高哈希表的性能。

示例代码

以下是一个简化的 ArrayList 的 hashCode() 实现示例：

csharp 复制代码

public int hashCode() {
    int hashCode = 1;
    for (E e : this) {
        hashCode = 31 * hashCode + (e == null ? 0 : e.hashCode());
    }
    return hashCode;
}

具体实现示例

以 ArrayList 为例，其 hashCode() 方法的实际实现如下：

csharp 复制代码

public int hashCode() {
    int h = 1;
    for (E e : this)
        h = 31 * h + (e == null ? 0 : e.hashCode());
    return h;
}

非用不可的话？

使用不可变列表：

为了避免上述问题，建议在使用 List 作为键时，先将其转换为不可变的列表。例如，可以使用 Collections.unmodifiableList 或者创建一个不可变的自定义列表类。

arduino 复制代码

List<String> original = new ArrayList<>(Arrays.asList("a", "b"));
List<String> immutableKey = Collections.unmodifiableList(original);
Map<List<String>, String> map = new HashMap<>();
map.put(immutableKey, "value");

// 现在即使尝试修改 original，也不会影响 immutableKey 的哈希码

自定义键类：

另一种方法是创建一个不可变的自定义键类，封装 List 并确保其哈希码在对象生命周期内不变。

typescript 复制代码

public final class ImmutableListKey {
    private final List<String> list;

    public ImmutableListKey(List<String> list) {
        this.list = List.copyOf(list); // Java 10+: creates an unmodifiable copy
    }

    @Override
    public boolean equals(Object o) {
        if (this == o) return true;
        if (!(o instanceof ImmutableListKey)) return false;
        ImmutableListKey that = (ImmutableListKey) o;
        return Objects.equals(list, that.list);
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        return list.hashCode();
    }
}

// 使用自定义键类
List<String> original = Arrays.asList("a", "b");
ImmutableListKey key = new ImmutableListKey(original);
Map<ImmutableListKey, String> map = new HashMap<>();
map.put(key, "value");

总结

List 的 hashCode() 方法通过遍历列表中的每个元素，并结合元素的哈希码和乘数 31 来计算最终的哈希值。这种计算方式确保了哈希码的分布均匀性，但由于 List 的可变性，使用时需谨慎，避免在作为键后修改列表内容。推荐的做法是使用不可变的列表或自定义不可变键类，以确保哈希码的一致性和 HashMap 的正确性。