HashMap扩容机制,HashMap的底层原理以及HashSet在底层原理

HashMap 扩容机制

HashMap 是 Java 中一个非常常用的键值对集合，它基于哈希表（Hash Table）实现，具有很高的查找、插入效率。HashMap 的扩容机制主要包括以下几个关键点：

1. 初始容量（Initial Capacity）：
   • 默认初始容量为 16，但可以通过构造函数设置。
   • 构造函数：new HashMap<>(initialCapacity)，其中 initialCapacity 是初始容量。
2. 负载因子（Load Factor）：
   • 负载因子决定了 HashMap 的何时扩容。默认负载因子为 0.75，表示当 HashMap 中的元素个数超过 容量 * 负载因子 时，就会触发扩容。
   • 例如，初始容量为 16，负载因子为 0.75，那么当元素个数超过 12（16 * 0.75）时，HashMap 会扩容。
3. 扩容机制：
   • 扩容时，HashMap 会将容量扩大为原来的 2 倍，当 HashMap 扩容时，并不会直接修改原有的数组，而是创建一个 新的更大的数组，并重新计算所有元素的哈希值并重新分配到新的数组（或者桶）中。
   • 这意味着，扩容后，HashMap 的容量将变为 容量 * 2。
   • 扩容的代价是 O(n)，因为需要重新计算每个元素的哈希值并将它们重新放入新的数组中。
4. 扩容触发条件：
   • 当元素个数大于 容量 * 负载因子 时触发扩容。
   • 举例来说，如果初始容量为 16，负载因子为 0.75，当元素个数超过 12 时触发扩容（16 * 0.75 = 12）。
5. 扩容时的性能问题：
   • 由于扩容时需要将所有元素重新计算哈希位置并放入新的数组，因此扩容是一个较为耗时的操作，尤其是当元素非常多时。
   • 为了避免频繁扩容，通常可以根据预期元素数量来调整初始容量。

为什么需要创建新的数组？

• 空间扩展：原数组在达到一定容量后，如果继续使用，就会导致哈希冲突频繁发生，影响性能。通过创建新的数组，HashMap 可以提供更多的桶（bucket），降低哈希冲突的概率。
• 重新分配哈希位置：数组扩容后，原来计算位置的方式已经不适用了，因为数组的大小变了。所以必须重新计算每个元素的哈希位置，确保数据均匀分布。

HashMap 的底层原理

• 创建一个默认长度16，默认加载因子为0.75的数组，数组名table

  16*0.75 = 12，如果存入的数据达到12，则数组自动扩容为原来的2倍

• 然后根据put()方法进行添加元素，在put()方法的底层会创建一个Entry对象 ，Entry对象里面记录的是要存放的键和值 ，然后利用键计算哈希值（只要键的哈希值，跟值无关），然后根据元素的哈希值跟数组的长度计算出元素应存入的索引位置

  int index = (数组长度-1) & 哈希值；

• 如果位置为null,直接存入

• 如果位置不为null 表示有元素，则调用equals方法比较键的属性值

  如果键里面的数据是一样则会覆盖原有的Entry对象

  如果键里面的数据不一样则会添加新的Entry对象

  jdk8以前：如果在数组中的同一个位置插入不同的元素的话，新元素存入数组，老元素挂在新元素下面,形成链表

  jdk8以后：如果在数组中的同一个位置插入不同的元素的话，新元素直接挂在老元素下面

• jdk8以后，当链表长度超过8，且数组长度大于等于64时，链表自动转换为红黑树。

• 如果键存储的是自定义对象，需要重写hashCode方法和equals方法

  如果值存储自定义对象，不需要重写hashCode和equals方法

依赖hashCode和equals方法保证键的唯一

特点都是由键决定的：无序、不重复、无索引

HashMap 底层是基于数组和链表/红黑树（JDK 8及以后）实现的，具有以下几个重要组件和工作机制：

1. 数组 + 链表/红黑树：
   • HashMap 内部维护了一个数组（称为桶数组），每个桶可以存储多个键值对。当发生哈希冲突时，多个元素会被存储在同一个桶中，通常通过链表（JDK 7及以前）或红黑树（JDK 8及以后）来解决冲突。
2. 哈希桶（Bucket）：
   • HashMap 使用哈希函数计算键的哈希值，然后将键值对放入相应的桶中。桶的下标是通过 hash(key) % array.length 计算得到的。
   • 如果两个键的哈希值相同，它们会被放入同一个桶，这就是哈希冲突。
3. 链表（在哈希冲突时）：
   • 在 JDK 7 及以前，如果两个元素的哈希值相同，它们会被放在同一个桶的链表中。
   • 查找时，链表的长度决定了查找的效率，链表越长，查找的时间复杂度越高。
4. 红黑树（JDK 8及以后）：
   • 从 JDK 8 开始，如果某个桶中的元素个数超过 8 且数组的大小超过 64，HashMap 会将链表转换为红黑树。
   • 红黑树是一种自平衡的二叉查找树，它可以保证最坏情况下的查找时间复杂度为 O(log n)，大大提高了性能。
5. 哈希函数：
   • 哈希函数是 HashMap 关键的性能因素。Java 使用了 hashCode() 方法和扰动函数来计算键的哈希值，从而将元素均匀地分布到不同的桶中。
   • HashMap 使用扰动函数（如 hash ^ (hash >>> 16)）来减少哈希冲突，确保哈希值分布更均匀。

HashSet在底层原理

• 创建一个默认长度16，默认加载因子为0.75的数组，数组名table

  16*0.75 = 12，如果存入的数据达到12，则数组自动扩容为原来的2倍

• 根据元素的哈希值跟数组的长度计算出应存入的位置

  int index = (数组长度-1) & 哈希值；

• 如果位置为null,直接存入

• 如果位置不为null 表示有元素，则调用equals方法比较属性值

  一样；不存 不一样：存入数组，形成链表

  jdk8以前：新元素存入数组，老元素挂在新元素下面

  jdk8以后：新元素直接挂在老元素下面

• jdk8以后，当链表长度超过8，且数组长度大于等于64时，链表自动转换为红黑树。

• 如果集合中存储的时自定义对象，必须重写hashCode方法和equals方法。

HashSet是利用什么机制保证去重？

• 利用HashCode方法和equals方法
• HashCode方法来计算出哈希值，根据哈希值计算机出要元素要存入的位置，然后再调用equals方法比较对象内部的属性值是否一样