6-HashSet底层结构和源码分析

宝塔山 · 2024-7-12 15:07:30

6-HashSet底层结构和源码分析

介绍汇总：

HashSet的全面介绍
HashSet底层机制阐明
HashSet实践训练

1-HashSet的全面介绍

HashSet 实现了 Set 接口
HashSet 现实上是 HashMap（源码）

public HashSet() {
map = new HashMap<>();
}

复制代码

可以存放 null 值，但是只能有一个 null
HashSet 不保证元素是有序的，取决于 hash 后，在确定索引的结果。
不能有重复元素、对象。
实践训练

HashSet hashSet = new HashSet();
hashSet.add("lucy") ; // 可以加入
hashSet.add("lucy") ; // 不可加入
hashSet.add(new Dog("tom")) ; // 可以加入
hashSet.add(new Dog("tom")) ; // 可以加入
// 经典面试题
hashSet.add(new String("mark")) ; // 可以加入
hashSet.add(new String("mark")) ; // 不可加入
// 虽然创建了两个内容相同、地址不同的字符串对象，
// 但是这两个字符串对象的 hash 值是相同的
// 满足了 hashSet 底层中的 hash 值相同，但是地址不同
// 而还有一个条件就是调用元素的equals方法进行比较
// String 的 equals 方法中比较的时候字符串内容
// 所以会相等，是为相同元素，无法加入 hashSet 中
System.out.println("====HashSet中列表元素有" + hashSet + "====");
// 区分 String 对象以及 hash 值为啥相同
// 不同对象（意味着地址值不同），hash 相同（这是由于字符串为常量，返回的都是常量池中的哈希值，因为都为 tom ，所以 hashCode 计算时为同一个值）
String tom = new String("tom");
System.out.println("tom的哈希值为" + tom.hashCode());
System.out.println(System.identityHashCode(tom));
String tom1 = new String("tom");
System.out.println("tom1的哈希值为" + tom1.hashCode());
System.out.println(System.identityHashCode(tom1));
/*
在Java中，对象存储在堆内存中，但Java的内存模型并不允许直接访问或获取对象的实际内存地址。
然而，如果你需要区分不同的对象实例，可以使用System.identityHashCode(Object x)方法。
这个方法返回的是对象的系统标识哈希码，它在对象的生命周期内是唯一的（除非对象被垃圾回收后，其内存位置被重新分配给另一个对象）。
虽然这个哈希码不是实际的内存地址，但它可以用于区分不同的对象实例。
需要注意的是，hashCode()方法和System.identityHashCode(Object x)方法返回的值是不同的。
hashCode()方法返回的是对象根据自己的哈希码算法计算出的哈希码，而System.identityHashCode(Object x)方法返回的是对象的系统标识哈希码，
它是由JVM在对象的生命周期内分配的，并且不会改变（除非对象被垃圾回收）。
*/

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2-HashSet底层机制阐明

模拟 HashSet 的底层

package set;
import java.util.Arrays;
public class HashSetStructure {
@SuppressWarnings({"all"})
public static void main(String[] args) {
// 模拟一个 HashSet 的底层（HashMap 的底层结构）
// 1. 创建一个数组，数组的类型是 Node[] ，或者该数组称为表
// 这里表的容量或长度为 16，是因为 HashMap 初始化后第一次添加数据，会将表的容量默认为 16
Node[] table = new Node[16];
System.out.println("====表中元素有" + Arrays.toString(table) + "====");
// 2. 创建数据结点
Node john = new Node("john", null);
// 3. 将数据结点存入表中
table[2] = john ;
Node jack = new Node("jack", null);
// 4. 将数据结点 jack 挂载到 john 之后，形成一个链表
john.next = jack ;
Node rose = new Node("Rose", null);
// 此时索引为 2 的链表中已存在两个数据结点，当该链表达到一定长度，
// 以及表的容量达到一定大小，该链表就会开始树化，也就是形成红黑树
// 这样做的目的是提高数据管理效率
jack.next = rose ;
Node lucy = new Node("lucy", null);
table[3] = lucy ;
// HashSet 的底层或者可以说是 HashMap 的底层结构（因为HashSet 的底层中维护了一个 HashMap ）
// 数组 + 链表 + 红黑树
}
}
/**
* 数据结点，存储数据和链接的下一个数据结点，便于形成链表
*/
class Node {
// 存放数据
Object item ;
// 指向下一个结点
Node next ;
public Node(Object item, Node next) {
this.item = item;
this.next = next;
}
@Override
public String toString() {
return "Node{" +
"item=" + item +
", next=" + next +
'}';
}
}

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HashSet 添加元素底层流程结论
- HashSet 底层是 HashMap
- 添加一个元素时，先得到 hash 值（并不是直接通过 hashcode 方法获得的值，有一个专门的算法会将 hashcode 的值进行转化），然后会根据算法将 hash 转成表的索引值
- 找到存储数据表 table ，查看这个索引位置是否已经存放数据元素
- 若没有，直接存入
- 若有，调用 equals 比力，若相同，就放弃添加，若不相同，则添加到最后
- 在 Java 8 中，若一条链表的元素个数超过 TREEIFY_THRESHOLD （默认链表树化的门槛或阈值为 8 ），而且表 table 的容量 => MIN_TREEIFY_CAPACITY（默认表树化的门槛或阈值为 64），就会进行树化（红黑树）
HashSet 添加元素底层源码流程分析

HashMap 底层源码分析

// 添加元素的核心方法有 hash、putval、resize、treeifyBin、putTreeVal
// hash
// 根据传入的 Key 对象生成对应的 hash 值
// 若为 null ，则 hash = 0
// 若不为 null ，则先获取 Key 对象的 hashcode 值然后按位异或 hashcode 值的逻辑右移 16 位
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
// resize
// 扩容
final Node<K,V>[] resize() {
// 获取当前表
Node<K,V>[] oldTab = table;
// 获取当前表容量
// 若当前表为空，说明当前表可能是刚初始化的表，则表的容量也为 0
// 若当前表不为空，当前表的容量为 oldTab.length
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
// 获取当前扩容警戒值
int oldThr = threshold;
// 初始化当前表扩容后的新容量、新扩容警戒值
int newCap, newThr = 0;
// 判断当前表的容量，若是满足此种情况，说明已经扩过容了，不是初始化状态了
// 嵌套条件判断
// (1) 当前表达到或超出最大默认容量，仅需改变当前扩容警戒值，然后返回当前表
// (2) 按当前表的容量扩容二倍给新表且小于默认最大容量，同时还满足当前表大于默认初始容量（16），
// 则新扩容警戒值变为原来的 2 倍，等待之后进行扩容即可
if (oldCap > 0) {
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}
// 判断当前扩容警戒值，满足这一条件说明是通过 HashMap(int) 或者 HashMap(int,float) 初始化的 HashMap
// 将原本在初始化的 threshold 的值（这就是指定的初始化容量）赋给 newCap
// 此时，处理完 newCap 等待后续处理 newThr ，在等待扩容就行了
else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
newCap = oldThr;
// 此为 HashMap()初始化的 HashSet 进行首次扩容
// 等待扩容即可
else { // zero initial threshold signifies using defaults
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
// 此判断是为了处理通过 HashMap(int) 或者 HashMap(int,float) 初始化的 HashMap
// 的 newThr ，完毕之后等待扩容即可
if (newThr == 0) {
float ft = (float)newCap * loadFactor;
newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
(int)ft : Integer.MAX_VALUE);
}
// 将扩容后的扩容警戒值赋给实际对象的扩容警戒值
threshold = newThr;
@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
// 根据 newCap 进行扩容
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
// 将扩容后的新表赋给实际对象的表
table = newTab;
// 将原有表的数据全部复制到当前新表（上一步已替换）
if (oldTab != null) {
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) {
oldTab[j] = null;
if (e.next == null)
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
else if (e instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
else { // preserve order
Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
Node<K,V> next;
do {
next = e.next;
if ((e.hash & oldCap) == 0) {
if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
}
else {
if (hiTail == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
}
} while ((e = next) != null);
if (loTail != null) {
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
return newTab;
}
// putval
// 存储数据
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
// 判断当前表
// 1. 获取当前表，并确认是否为空，说明当前表可能为刚初始化的 HashMap （HashSet）
// 2. 获取当前表的长度，并确认是否为空，说明当前表可能执行过 clear 方法
// 满足任一条件后，进行容量处理，并获取处理后的表的长度
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
// 根据 hash 值计算索引值，并获取索引上的数据元素，然后判断是否为空
// 若为空，直接将该数据元素插入该索引
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
// 若不为空，开始进行数据比对
else {
Node<K,V> e; K k;
// 先与索引上的数据结点进行比对
// 以下是相同的数据元素，会直接赋给 e ，然后返回旧值，代表元素重复
// 从 hash 和 key 或者 equals（可自定义）来进行判断
// 相同元素的 hash 值是相同的，所以这个要注意有个哈希值控制方法
// 不同对象的哈希值一定是不同的，但 String 对象除外，之前介绍过
// 而且可以通过重写 equals 和 hashCode 来达到对于同一类的对象如何
// 为相同的可以进行控制
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
// 树结点的实例
// 是的话进行树结点的元素比对和存储
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
// 链表
else {
// binCount 是统计链表的元素个数，不包括索引上的数据结点
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
// 查看 p 是否有下一个结点
// 若为 null 的话，直接插入元素即可
// 然后再来判断链表元素个数是否达到树化条件
// 结束循环，之后处理 e
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null);
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
// p 的下一个结点不为 null
// 进行元素比对，和之前的方式一样
// 元素一致的话就结束循环，之后处理 e
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e;
}
}
// 判断 e 是否存在值
// 若有的话，则说明有重复元素
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
// 每一次修改都会统计
++modCount;
// 修改成功后就将大小 + 1
// 然后查看大小是否达到警戒扩容值
// 这个警戒扩容值是针对存储了多少元素的，不是仅对于表中存储的
// 数据个数进行是否扩容的，还包括其链表或者红黑树的数据元素的
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
// 返回 null 意味着成功插入
return null;
}
// treeifyBin 树化（红黑树）
// 树化需要满足链表个数（8）和表的容量（>= 64）
// 当满足链表个数的话，表容量不满足，就先进行表容量的扩容
// 还有一个重要点就是当红黑树的个数小于等于 6 的话，红黑树又会转成链表，此过程称为剪枝
// 关于剪枝仅是提一下
final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {
int n, index; Node<K,V> e;
if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
resize();
else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
do {
TreeNode<K,V> p = replacementTreeNode(e, null);
if (tl == null)
hd = p;
else {
p.prev = tl;
tl.next = p;
}
tl = p;
} while ((e = e.next) != null);
if ((tab[index] = hd) != null)
hd.treeify(tab);
}
}

复制代码

注：上方代码仅是解释每行代码的大致作用，需要 debug 进行梳理流程。

HashSet 的扩容注意事项

[code] HashSet hashSet = new HashSet(); // HashSet 底层是 HashMap ，利用差别的数字（hash 一样平常也不相同） // 以是存储的位置都在内部数组表上，仅模拟内部数组表的扩容 /*for (int i = 1 ; i

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