Как работает hashmap в java

Внутренняя работа HashMap в Java

[примечание от автора перевода] Перевод был выполнен для собственных нужд, но если кому -то это окажется полезным, значит мир стал хоть немного, но лучше! Оригинальная статья — Internal Working of HashMap in Java

В этой статье мы увидим, как изнутри работают методы get и put в коллекции HashMap. Какие операции выполняются. Как происходит хеширование. Как значение извлекается по ключу. Как хранятся пары ключ-значение.

Как и в предыдущей статье, HashMap содержит массив Node и Node может представлять класс, содержащий следующие объекты:

1. int — хэш
2. K — ключ
3. V — значение
4. Node — следующий элемент

Теперь мы увидим, как все это работает. Для начала мы рассмотрим процесс хеширования.

Хэширование

Хэширование -это процесс преобразования объекта в целочисленную форму, выполняется с помощью метода hashCode(). Очень важно правильно реализовать метод hashCode() для обеспечения лучшей производительности класса HashMap.

Здесь я использую свой собственный класс Key и таким образом могу переопределить метод hashCode() для демонстрации различных сценариев. Мой класс Key:

// специальный класс Key для переопределени методов hashCode() // и equals() class Key < String key; Key(String key) < this.key = key; >@Override public int hashCode() < return (int)key.charAt(0); >@Override public boolean equals(Object obj) < return key.equals((String)obj); >>

Здесь переопределенный метод hashCode() возвращает ASCII код первого символа строки. Таким образом, если первые символы строки одинаковые, то и хэш коды будут одинаковыми. Не стоит использовать подобную логику в своих программах.

Этот код создан исключительно для демонстрации. Поскольку HashCode допускает ключ типа null, хэш код null всегда будет равен 0.

Метод hashCode()

Метод hashCode() используется для получения хэш кода объекта. Метод hashCode() класса Object возвращает ссылку памяти объекта в целочисленной форме (идентификационный хеш (identity hash code)). Сигнатура метода public native hashCode() . Это говорит о том, что метод реализован как нативный, поскольку в java нет какого -то метода позволяющего получить ссылку на объект. Допускается определять собственную реализацию метода hashCode(). В классе HashMap метод hashCode() используется для вычисления корзины (bucket) и следовательно вычисления индекса.

Метод equals()

Метод equals используется для проверки двух объектов на равенство. Метод реализованн в классе Object. Вы можете переопределить его в своем собственном классе. В классе HashMap метод equals() используется для проверки равенства ключей. В случае, если ключи равны, метод equals() возвращает true, иначе false.

Корзины (Buckets)

Bucket -это единственный элемент массива HashMap. Он используется для хранения узлов (Nodes). Два или более узла могут иметь один и тот -же bucket. В этом случае для связи узлов используется структура данных связанный список. Bucket -ы различаются по ёмкости (свойство capacity). Отношение между bucket и capacity выглядит следующим образом:

capacity = number of buckets * load factor

Один bucket может иметь более, чем один узел, это зависит от реализации метода hashCode(). Чем лучше реализованн ваш метод hashCode(), тем лучше будут использоваться ваши bucket -ы.

Вычисление индекса в HashMap

Хэш код ключа может быть достаточно большим для создания массива. Сгенерированный хэш код может быть в диапазоне целочисленного типа и если мы создадим массив такого размера, то легко получим исключение outOfMemoryException. Потому мы генерируем индекс для минимизации размера массива. По сути для вычисления индекса выполняется следующая операция:

index = hashCode(key) & (n-1).

где n равна числу bucket или значению длины массива. В нашем примере я рассматриваю n, как значение по умолчанию равное 16.

• изначально пустой hashMap: здесь размер hashmap равен 16:

HashMap map = new HashMap();

HashMap:

• вставка пар Ключ — Значение: добавить одну пару ключ — значение в конец HashMap

map.put(new Key("vishal"), 20);

1. Вычислить значение ключа . Оно будет сгенерированно, как 118.
2. Вычислить индекс с помощью метода index , который будет равен 6.
3. Создать объект node.

 < int hash = 118 // не строка, а // объект класса Key Key key = Integer value = 20 Node next = null >

Теперь HashMap выглядит примерно так:

• добавление другой пары ключ — значение: теперь добавим другую пару

map.put(new Key("sachin"), 30);

1. Вычислить значение ключа . Оно будет сгенерированно, как 115.
2. Вычислить индекс с помощью метода index , который будет равен 3.
3. Создать объект node.

 < int hash = 115 Key key = Integer value = 30 Node next = null >

Теперь HashMap выглядит примерно так:

• в случае возникновения коллизий: теперь добавим другую пару

map.put(new Key("vaibhav"), 40);

1. Вычислить значение ключа . Оно будет сгенерированно, как 118.
2. Вычислить индекс с помощью метода index , который будет равен 6.
3. Создать объект node.

 < int hash = 118 Key key = Integer value = 20 Node next = null >

Теперь HashMap выглядит примерно так:

[примечание от автора перевода] Изображение взято из оригинальной статьи и изначально содержит ошибку. Ссылка на следующий объект в объекте vishal с индексом 6 не равна null, в ней содержится указатель на объект vaibhav.

map.get(new Key("sachin"));

1. Вычислить хэш код объекта . Он был сгенерирован, как 115.
2. Вычислить индекс с помощью метода index , который будет равен 3.
3. Перейти по индексу 3 и сравнить ключ первого элемента с имеющемся значением. Если они равны -вернуть значение, иначе выполнить проверку для следующего элемента, если он существует.
4. В нашем случае элемент найден и возвращаемое значение равно 30.

• получаем значение по ключу vaibahv:

map.get(new Key("vaibhav"));

1. Вычислить хэш код объекта . Он был сгенерирован, как 118.
2. Вычислить индекс с помощью метода index , который будет равен 6.
3. Перейти по индексу 6 и сравнить ключ первого элемента с имеющемся значением. Если они равны -вернуть значение, иначе выполнить проверку для следующего элемента, если он существует.
4. В данном случае он не найден и следующий объект node не равен null.
5. Если следующий объект node равен null, возвращаем null.
6. Если следующий объект node не равен null, переходим к нему и повторяем первые три шага до тех пор, пока элемент не будет найден или следующий объект node не будет равен null.

// Java программа для иллюстрации // внутренней работы HashMap import java.util.HashMap; class Key < String key; Key(String key) < this.key = key; >@Override public int hashCode() < int hash = (int)key.charAt(0); System.out.println("hashCode for key: " + key + " = " + hash); return hash; >@Override public boolean equals(Object obj) < return key.equals(((Key)obj).key); >> // Driver class public class GFG < public static void main(String[] args) < HashMap map = new HashMap(); map.put(new Key("vishal"), 20); map.put(new Key("sachin"), 30); map.put(new Key("vaibhav"), 40); System.out.println(); System.out.println("Value for key sachin: " + map.get(new Key("sachin"))); System.out.println("Value for key vaibhav: " + map.get(new Key("vaibhav"))); >>

hashCode for key: vishal = 118 hashCode for key: sachin = 115 hashCode for key: vaibhav = 118 hashCode for key: sachin = 115 Value for key sachin: 30 hashCode for key: vaibhav = 118 Value for key vaibhav: 40

Изменения в Java 8

Как мы уже знаем в случае возникновения коллизий объект node сохраняется в структуре данных «связанный список» и метод equals() используется для сравнения ключей. Это сравнения для поиска верного ключа в связанном списке -линейная операция и в худшем случае сложность равнa O(n).

Для исправления этой проблемы в Java 8 после достижения определенного порога вместо связанных списков используются сбалансированные деревья. Это означает, что HashMap в начале сохраняет объекты в связанном списке, но после того, как колличество элементов в хэше достигает определенного порога происходит переход к сбалансированным деревьям. Что улучшает производительность в худшем случае с O(n) до O(log n).

Важный момент

1. Сложность операций get() и put() практически константна до тех пор, пока не будет проведенно повторное хэширование.
2. В случае коллизий, если индексы двух и более объектов node одинаковые, объекты node соединяются с помощью связанного списка, т.е. ссылка на второй объект node хранится в первом, на третий во втором и т.д.
3. Если данный ключ уже существует в HashMap, значение перезаписывается.
4. Хэш код null равен 0.
5. Когда объект получается по ключу происходят переходы по связанному списку до тех пор, пока объект не будет найден или ссылка на следующий объект не будет равна null.

Структуры данных в картинках. HashMap

Продолжаю попытки визуализировать структуры данных в Java. В предыдущих сериях мы уже ознакомились с ArrayList и LinkedList, сегодня же рассмотрим HashMap.

HashMap — основан на хэш-таблицах, реализует интерфейс Map (что подразумевает хранение данных в виде пар ключ/значение). Ключи и значения могут быть любых типов, в том числе и null. Данная реализация не дает гарантий относительно порядка элементов с течением времени. Разрешение коллизий осуществляется с помощью метода цепочек.

Создание объекта

Map hashmap = new HashMap();

• table — Массив типа Entry[], который является хранилищем ссылок на списки (цепочки) значений;
• loadFactor — Коэффициент загрузки. Значение по умолчанию 0.75 является хорошим компромиссом между временем доступа и объемом хранимых данных;
• threshold — Предельное количество элементов, при достижении которого, размер хэш-таблицы увеличивается вдвое. Рассчитывается по формуле (capacity * loadFactor);
• size — Количество элементов HashMap-а;

 // Инициализация хранилища в конструкторе // capacity - по умолчанию имеет значение 16 table = new Entry[capacity]; 

Вы можете указать свои емкость и коэффициент загрузки, используя конструкторы HashMap(capacity) и HashMap(capacity, loadFactor). Максимальная емкость, которую вы сможете установить, равна половине максимального значения int (1073741824).

Добавление элементов

hashmap.put("0", "zero");

Сначала ключ проверяется на равенство null. Если это проверка вернула true, будет вызван метод putForNullKey(value) (вариант с добавлением null-ключа рассмотрим чуть позже).

 static int hash(int h) < h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12); return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4); > 

Комментарий из исходников объясняет, каких результатов стоит ожидать — метод hash(key) гарантирует что полученные хэш-коды, будут иметь только ограниченное количество коллизий (примерно 8, при дефолтном значении коэффициента загрузки).

В моем случае, для ключа со значением »0» метод hashCode() вернул значение 48, в итоге:

 h ^ (h >>> 20) ^ (h >>> 12) = 48 h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4) = 51 

 static int indexFor(int h, int length)

При значении хэша 51 и размере таблице 16, мы получаем индекс в массиве:

 h & (length - 1) = 3 

 if (e.hash == hash && (e.key == key || key.equals(e.key)))

 void addEntry(int hash, K key, V value, int index) < Entrye = table[index]; table[index] = new Entry(hash, key, value, e); . > 

Для того чтобы продемонстрировать, как заполняется HashMap, добавим еще несколько элементов.

hashmap.put("key", "one");

Пропускается, ключ не равен null

 h ^ (h >>> 20) ^ (h >>> 12) = 106054 h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4) = 99486 

 h & (length - 1) = 14 

hashmap.put(null, null);

Все элементы цепочки, привязанные к table[0], поочередно просматриваются в поисках элемента с ключом null. Если такой элемент в цепочке существует, его значение перезаписывается.

addEntry(0, null, value, 0);

hashmap.put("idx", "two");

Пропускается, ключ не равен null

 h ^ (h >>> 20) ^ (h >>> 12) = 104100 h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4) = 101603 

 h & (length - 1) = 3 

 // В table[3] уже хранится цепочка состоящая из элемента ["0", "zero"] Entry e = table[index]; // Новый элемент добавляется в начало цепочки table[index] = new Entry(hash, key, value, e); 

Resize и Transfer

Когда массив table[] заполняется до предельного значения, его размер увеличивается вдвое и происходит перераспределение элементов. Как вы сами можете убедиться, ничего сложного в методах resize(capacity) и transfer(newTable) нет.

 void resize(int newCapacity) < if (table.length == MAXIMUM_CAPACITY) < threshold = Integer.MAX_VALUE; return; >Entry[] newTable = new Entry[newCapacity]; transfer(newTable); table = newTable; threshold = (int)(newCapacity * loadFactor); > 

Метод transfer() перебирает все элементы текущего хранилища, пересчитывает их индексы (с учетом нового размера) и перераспределяет элементы по новому массиву.

Если в исходный hashmap добавить, скажем, еще 15 элементов, то в результате размер будет увеличен и распределение элементов изменится.

Удаление элементов

У HashMap есть такая же «проблема» как и у ArrayList — при удалении элементов размер массива table[] не уменьшается. И если в ArrayList предусмотрен метод trimToSize(), то в HashMap таких методов нет (хотя, как сказал один мой коллега — «А может оно и не надо?«).

Небольшой тест, для демонстрации того что написано выше. Исходный объект занимает 496 байт. Добавим, например, 150 элементов.

Теперь удалим те же 150 элементов, и снова замерим.

Как видно, размер даже близко не вернулся к исходному. Если есть желание/потребность исправить ситуацию, можно, например, воспользоваться конструктором HashMap(Map).

 hashmap = new HashMap(hashmap); 

Итераторы

HashMap имеет встроенные итераторы, такие, что вы можете получить список всех ключей keySet(), всех значений values() или же все пары ключ/значение entrySet(). Ниже представлены некоторые варианты для перебора элементов:

Инструменты для замеров — memory-measurer и Guava (Google Core Libraries).

Как работает hashmap в java

довольно базовое описание контейнера хэшмэп. на деле это массив, из ячеек которого могут вырастать однонаправленные связные списки. сия конструкция может напоминать расческу с выломанными зубьями разной длины. эта лекция ни о чем, изучайте плотнее!

No Name Уровень 32
11 июня 2023
+ статья в копилку
Ислам Уровень 32
31 мая 2023
10 апреля 2023

“Анна Ивановна Решетникова, 4211 717171” И как они собирались хранить такой номер паспорта в типе Integer? Тем самым показав, что номер паспорта хранить в базе данных как число — это не лучшая идея. Так как номера паспорта могут содержать дефисы, пробелы, буквы и т.д. Поправьте меня, если я не прав. Иначе у меня вопросы к господину Милану.

Сообщество

JavaRush — это интерактивный онлайн-курс по изучению Java-программирования c нуля. Он содержит 1200 практических задач с проверкой решения в один клик, необходимый минимум теории по основам Java и мотивирующие фишки, которые помогут пройти курс до конца: игры, опросы, интересные проекты и статьи об эффективном обучении и карьере Java‑девелопера.

Подписывайтесь
Язык интерфейса
«Программистами не рождаются» © 2024 JavaRush
Скачивайте наши приложения
«Программистами не рождаются» © 2024 JavaRush

Этот веб-сайт использует данные cookie, чтобы настроить персонально под вас работу сервиса. Используя веб-сайт, вы даете согласие на применение данных cookie. Больше подробностей — в нашем Пользовательском соглашении.

HashMap

HashMap — структура данных, одна из коллекций языка Java. Представляет собой хэш-таблицу. Так называется набор из пар «ключ-значение», где у ключей есть хэши, то есть числовые уникальные идентификаторы. Они высчитываются для каждого ключа.

Освойте профессию «Java-разработчик»

Общее название сущности, которая хранит в себе ключи и значения, — ассоциативный массив. То есть структура данных, похожая на массив, где вместо индексов — ключи. Самый очевидный пример — простая таблица, где заголовок является ключом.

В HashMap ключом может быть практически что угодно, но важен в первую очередь хэш ключа.

Профессия / 14 месяцев
Java-разработчик

Освойте востребованный язык

Для чего нужен HashMap

HashMap пользуются разработчики на Java. Как и все структуры, относящиеся к коллекциям, он нужен в первую очередь для хранения информации и работы с ней. HashMap быстро работает, и большинство операций в нем выполняется за фиксированное время — это происходит благодаря оптимизированному доступу к данным. Как и практически все структуры из Collections Framework, он динамический, то есть его размер не фиксирован — туда можно добавить практически любое количество объектов.

HashMap используется, когда разработчику нужно хранить где-то пары «ключ-значение», при этом иметь возможность быстро получить значение по ключу. Например, имя пользователя и номер его телефона. Если нужно хранить просто список значений, лучше подойдет ArrayList или похожая структура.

Как устроены хэш-таблицы

HashMap — структура из пар «ключ-значение». Внутри это динамический массив ключей. Каждый элемент массива — своеобразная «корзинка», которая хранит связанный список со значением. О том, что собой представляет каждая из этих сущностей, можно почитать в статьях про ArrayList и коллекции.

Но HashMap используют для хранения пар — на каждый ключ приходится только одно значение. То есть связанный список будет состоять из одного элемента, а ссылаться этот элемент будет на null — специальное «пустое» значение. Если бы в такой структуре значений было несколько, первое ссылалось бы на второе и так далее — так устроен связанный список.

Связанный список нужен, чтобы избежать коллизий. Мы подробнее расскажем об этом ниже.

Для оптимизации доступа используется хэш ключа. Когда в HashMap добавляют ключ и значение, для ключа сразу высчитывается хэш. По нему определяется позиция в массиве для этой пары: для расчета есть специальные формулы.

Станьте Java-разработчиком
и создавайте сложные сервисы
на востребованном языке

Реализация и свойства HashMap

HashMap — динамическая структура, то есть количество «корзинок» может изменяться. По умолчанию сущность создается с 16 «корзинками», но это поведение можно поменять при создании, для чего надо задать хэш-таблице начальный размер вручную. Когда элементов в ней становится больше, чем корзинок, структура удлиняется — перезаписывает массив на новый, с большей длиной. По умолчанию длина увеличивается вдвое.

У HashMap, как и у всех подобных структур, есть набор своих методов — функций, которые позволяют удобно работать с данными. Для добавления, поиска, перезаписи или удаления элемента есть свои команды; также можно перебирать элементы и ключи и делать многое другое. Благодаря использованию хэшей эти методы работают очень быстро, и для самых популярных из них время выполнения константно, если нет коллизий.

Коллизии и их предотвращение

В идеальной ситуации хэш полностью индивидуален для каждого уникального объекта. Но в реальности хэши могут совпадать у совершенно разных объектов. Это происходит из-за несовершенства существующих алгоритмов.

Может случиться так, что у двух разных ключей окажется одинаковый хэш. Или хэш будет разным, но по формуле позиция для обоих хэшей будет одинаковой. Тогда значения обоих ключей окажутся записаны в одну «корзинку». Это и есть коллизия. Именно из-за коллизий для хранения значений используется связанный список: если бы в массиве просто хранился объект, любая коллизия перезаписала бы текущее значение, а это опасно. А при текущей реализации, даже если случится коллизия, новое значение просто запишется в начало той же «корзинки», не изменив старое.

Если такое случится, структура потеряет эффективность и будет работать медленнее, поэтому коллизий все равно лучше не допускать, но сами данные останутся целы.

Отличие от перезаписи

HashMap умеет отличать коллизию от реальной перезаписи элемента. Когда структуре дают новую пару «ключ-значение», она проверяет, есть ли в массиве такие хэши и такие ключи. Результат такой:

• если таких хэшей и ключей нет, в хэш-таблицу просто добавляется новая пара;
• если такой ключ есть, это перезапись — структура переписывает элемент с таким же ключом;
• если такого ключа нет, но хэш есть — это коллизия, новое значение записывается в ту же «корзинку» за предыдущим.

Вы можете узнать больше про структуры данных в Java. Получите новую профессию на курсах и станьте разработчиком на популярном языке.

Java-разработчик

Java уже 20 лет в мировом топе языков программирования. На нем создают сложные финансовые сервисы, стриминги и маркетплейсы. Освойте технологии, которые нужны для backend-разработки, за 14 месяцев.