Java中的HashMap

什么是HashMap？

HashMap是Java中常用的数据结构之一，它基于哈希表实现，提供了快速的键值对存取能力。在HashMap中，put方法是最常用的方法之一，用于将键值对存储到HashMap中。本文将深入探究HashMap的put方法的实现原理，解析其内部数据结构和算法，并探讨设计put方法的意义。

对比其他Map中put()方法

可以看一下博主的博客了解HashMap、TreeMap和LinkedHashMap三者的使用：Java-数据结构（二）-Map：HashMap、TreeMap、LinkedHashMap
HashMap、TreeMap和LinkedHashMap都是Java中常用的Map实现类，它们在put方法的实现上有一些区别。

HashMap的put方法：
- HashMap使用哈希表来存储键值对，通过键的哈希码和哈希函数来确定键值对在哈希表中的存储位置。
- 当发生哈希冲突时，HashMap使用链表或红黑树来解决冲突。
- HashMap的put方法具有O(1)的平均时间复杂度。
TreeMap的put方法：
- TreeMap使用红黑树来存储键值对，根据键的自然顺序或自定义比较器来进行排序。
- 在插入键值对时，TreeMap会根据键的顺序将键值对插入到相应的位置，以保持有序性。
- TreeMap的put方法具有O(log n)的时间复杂度。
LinkedHashMap的put方法：
- LinkedHashMap继承自HashMap，底层仍然使用哈希表来存储键值对。
- LinkedHashMap在HashMap的基础上，使用双向链表来维护键值对的插入顺序或访问顺序。
- 在插入键值对时，LinkedHashMap会将键值对插入到链表的尾部，以保持插入顺序或访问顺序。
- LinkedHashMap的put方法具有O(1)的平均时间复杂度。

HashMap的put方法使用哈希表来存储键值对，适用于需要高效存储和查找键值对的场景。
TreeMap的put方法使用红黑树来存储键值对，适用于需要有序存储和查找键值对的场景。
LinkedHashMap的put方法在HashMap的基础上，使用双向链表来维护插入顺序或访问顺序，适用于需要保持插入顺序或访问顺序的场景。

HashMap中put()方法使用示例

以下是一个简单的Java代码示例，展示了如何使用HashMap的put方法：

import java.util.HashMap;public class HashMapExample {public static void main(String[] args) {// 创建一个HashMap对象HashMap<String, Integer> hashMap = new HashMap<>();// 使用put方法添加键值对hashMap.put("apple", 1);hashMap.put("banana", 2);hashMap.put("cherry", 3);// 使用get方法获取键对应的值int value = hashMap.get("banana");System.out.println("The value of 'banana' is: " + value);}
}

HashMap中put()源码解析

手绘流程图

在这里插入图片描述

实现原理

在Java中，HashMap的put方法的实现原理可以分为以下几个步骤：

1.首先，根据键的哈希值计算出键的哈希码。HashMap使用键的哈希码来确定键值对在哈希表中的存储位置。

2.接下来，通过哈希码计算出键值对在哈希表中的索引位置。HashMap使用一个称为“哈希函数”的算法来计算索引位置。常用的哈希函数是将哈希码与哈希表的容量进行取模运算，得到索引位置。

3.如果该索引位置上没有其他键值对，则直接将键值对存储在该位置上。如果该索引位置上已经存在其他键值对，则发生了“哈希冲突”。

4.当发生哈希冲突时，HashMap使用链表或红黑树来解决冲突。在JDK1.8之前，HashMap使用链表来解决冲突，即在冲突的索引位置上，将新的键值对插入到链表的尾部。而在JDK1.8及以后的版本中，当链表长度超过一定阈值时，HashMap会将链表转换为红黑树，以提高查找效率。

5.最后，将键值对成功存储在哈希表中，并返回先前关联的值（如果存在）。如果该索引位置上已经存在其他键值对，则需要遍历链表或红黑树，找到对应的键值对，并更新其值。

通过以上步骤，HashMap的put方法成功将键值对存储在哈希表中。需要注意的是，当哈希表的负载因子（即存储的键值对数量与容量的比值）超过一定阈值时，HashMap会进行扩容操作，以保持哈希表的性能。

源码探究（JDK 1.8）

public V put(K key, V value) {return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,boolean evict) {Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;// table未初始化或者长度为0，进行扩容if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)n = (tab = resize()).length;// (n - 1) & hash 确定元素存放在哪个桶中，桶为空，新生成结点放入桶中(此时，这个结点是放在数组中)if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)tab[i] = newNode(hash, key, value, null);// 桶中已经存在元素（处理hash冲突）else {Node<K,V> e; K k;//快速判断第一个节点table[i]的key是否与插入的key一样，若相同就直接使用插入的值p替换掉旧的值e。if (p.hash == hash &&((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))e = p;// 判断插入的是否是红黑树节点else if (p instanceof TreeNode)// 放入树中e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);// 不是红黑树节点则说明为链表结点else {// 在链表最末插入结点for (int binCount = 0; ; ++binCount) {// 到达链表的尾部if ((e = p.next) == null) {// 在尾部插入新结点p.next = newNode(hash, key, value, null);// 结点数量达到阈值(默认为 8 )，执行 treeifyBin 方法// 这个方法会根据 HashMap 数组来决定是否转换为红黑树。// 只有当数组长度大于或者等于 64 的情况下，才会执行转换红黑树操作，以减少搜索时间。否则，就是只是对数组扩容。if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1sttreeifyBin(tab, hash);// 跳出循环break;}// 判断链表中结点的key值与插入的元素的key值是否相等if (e.hash == hash &&((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))// 相等，跳出循环break;// 用于遍历桶中的链表，与前面的e = p.next组合，可以遍历链表p = e;}}// 表示在桶中找到key值、hash值与插入元素相等的结点if (e != null) {// 记录e的valueV oldValue = e.value;// onlyIfAbsent为false或者旧值为nullif (!onlyIfAbsent || oldValue == null)//用新值替换旧值e.value = value;// 访问后回调afterNodeAccess(e);// 返回旧值return oldValue;}}// 结构性修改++modCount;// 实际大小大于阈值则扩容if (++size > threshold)resize();// 插入后回调afterNodeInsertion(evict);return null;
}

设计put()的意义

设计put方法的意义在于提供了一种简单而高效的方式来存储和查找键值对。HashMap的put方法具有O(1)的平均时间复杂度，即使在发生哈希冲突的情况下，通过链表或红黑树的处理，也能保持较快的查找性能。这使得HashMap成为了处理大量数据的理想选择，尤其在需要频繁进行键值对操作的场景下。

总结

本文深入探究了Java中HashMap的put方法的实现原理。通过了解其内部数据结构和算法，我们可以更好地理解和使用HashMap，在实际开发中更加高效地进行键值对的存储和查找操作。同时，我们也探讨了设计put方法的意义，以及提供了相关的Java代码示例。希望本文对读者有所帮助，让大家对HashMap的put方法有更深入的理解。