Java 散列存储详解及简单示例

Java 散列存储

 Java中散列存储的数据结构主要是指HashSet、HashMap、LinkedHashSet、LinkedHashMap以及HashTable等。要理解Java中的散列存储机制,那么我们必须先理解两个方法:equals()和hashCode()。关于equals()方法以及其与“==”关系操作符的区别,我们在另一篇文章中已经说明了。而对于hashCode(),它是在Object类中定义的一个方法:

public native int hashCode();

这是一个返回int值的本地方法,在Object类中没有被实现。这个方法主要被应用于使用散列的数据结构中,配合基于散列的集合一起正常运行,例如,在向一个容器(我们假设是HashMap)中插入一个对象时,怎样判断容器中是否已经存在该对象了呢?由于容器中的元素可能成千上万,使用equals()方法依次进行比较是非常低效的。散列的价值在于速度,它将键保存在某处,以便能够很快找到。存储一组元素最快的数据结构是数组,所以使用它来存储键的信息(注意是键的信息,而非键本身)。但是因为数组不能调整容量,因此就有一个问题:我们希望在Map中保存数量不确定的值,但是如果键的数量被数组的容量限制了,该怎么办呢?

  答案就是:数组不保存键本身,而是通过键对象生成一个数字,将其作为数组的下标,这个数字就是散列码(hashcode),由定义在Object中的、且可能由你的类覆盖的hashCode()方法生成。为解决数组容量被固定的问题,不同的键可以产生相同的下标,这种现象被称为冲突。于是,在容器中查询一个值的过程是:先通过hashCode()计算待插入对象的散列码,然后使用散列码查询数组。对于冲突的处理,常常是通过外部链接,即数组并不直接保存值,而是保存值的list,然后对list中的值进行线性查询,这部分查询自然会比较慢。但是,如果散列函数足够好的话,数组的每个位置就只有较少的值。因此,散列机制便可以快速地跳到数组的某个位置,只对很少的元素进行比较。这就是HashMap会如此快的原因,我们可以通过HashMap.put()方法体会到:

public V put(K key, V value) {
  if (table == EMPTY_TABLE) {
   inflateTable(threshold);
  }
  if (key == null)
   return putForNullKey(value);
  int hash = hash(key);
  int i = indexFor(hash, table.length);
  for (Entry<K,V> 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;
 }

其主要思想便是:在键不为空时,根据键对象获取到散列码hash,然后通过散列码得到数组的下标i。在table[i]所表示的list中进行迭代,通过equals()判断该键是否存在,如果存在,则用新的值更新旧的值,返回旧的值;否则将新的键值对添加到HashMap中。从这里可以看出,hashCode方法的存在是为了减少equals方法的调用次数,从而提高程序效率。

  这里我们需要注意到:hashCode()并不需要总是能够返回唯一的标识码,但是equals()方法必须严格地判断两个对象是否相同。

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