关于HashMap的详解文章请移步:
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为什么初始容量是 2次幂?
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
// 如果没有hash碰撞则直接插入元素
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
......
}
}
通过看源码,我们发现,判断桶的索引的实现是 i = ( n – 1 ) & hash,其中 n 是 map 的容量。
任何 2 的整数幂 – 1 得到的二进制都是 1,如:16 – 1 = 15(1111);32 – 1 = 31(11111)
而 n-1 与 hash 做的是与运算(&),与运算是 两个都为1,才为1
既然我们的 n-1 永远都是 1,那 ( n – 1 ) & hash 的计算结果就是 低位的hash 值。如:
00100100 10100101 11000100 00100101 // Hash 值
& 00000000 00000000 00000000 00001111 // 16 - 1 = 15
----------------------------------
00000000 00000000 00000000 00000101 // 高位全部归零,只保留末四位。
那容量不是 2次幂会怎么样?我们来做个试验。
2次幂的情况:
非2次幂的情况,假设 n = 10:
对比来看,哪种发生哈希碰撞的概率更低一目了然,如果 n 为 2次幂,可以保证数据的均匀插入,降低哈希冲突的概率,毕竟冲突越大,代表数组中的链表/红黑树越大,从而降低Hashmap 的性能。
如果指定了不是2的次幂的容量会发生什么?
答案:会获得最接近的一个2的次幂作为容量
有一个初始容量参数的构造方法HashMap(int initialCapacity)
参数:initialCapacity
初始容量
public HashMap(int initialCapacity) {
//此处通过把第二个参数负载因子使用默认值0.75f,然后调用有两个参数的构造方法
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
这个一个参数的构造方法,使用HashMap的默认负载因子,把该初始容量和默认负载因子作为入参,调用HashMap的两个参数的构造方法
有两个参数的构造方法HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)
参数:initialCapacity
初始容量
参数:loadFactor
负载因子
/** * Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the specified initial * capacity and load factor. * 通过指定的初始容量和负载因子初始化一个空的HashMap * * @param initialCapacity the initial capacity 初始化容量 * @param loadFactor the load factor 负载因子 * @throws IllegalArgumentException if the initial capacity is negative * or the load factor is nonpositive * 如果初始容量或者负载因子为负数,则会抛出非法数据异常 */
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
if (initialCapacity < 0) //如果初始容量小于0,抛出异常
throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
initialCapacity);
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY) //如果初始容量超过最大容量(1<<32)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY; //则使用最大容量作为初始容量
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor)) //如果负载因子小于等于0或者不是数字,则抛出异常
throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
loadFactor);
this.loadFactor = loadFactor; //把负载因子赋值给成员变量loadFactor
//调用tableSizeFor方法计算出不小于initialCapacity的最小的2的幂的结果,并赋给成员变量threshold
this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}
我们下面看看tableSizeFor()这个方法是如何计算的,这个方法的实现原理很巧妙,源码如下:
/** * Returns a power of two size for the given target capacity. */
static final int tableSizeFor(int cap) {
int n = cap - 1; //容量减1,为了防止初始化容量已经是2的幂的情况,最后有+1运算。
n |= n >>> 1; //将n无符号右移一位再与n做或操作
n |= n >>> 2; //将n无符号右移两位再与n做或操作
n |= n >>> 4; //将n无符号右移四位再与n做或操作
n |= n >>> 8; //将n无符号右移八位再与n做或操作
n |= n >>> 16; //将n无符号右移十六位再与n做或操作
//如果入参cap为小于或等于0的数,那么经过cap-1之后n为负数,n经过无符号右移和或操作后仍未负
//数,所以如果n<0,则返回1;如果n大于或等于最大容量,则返回最大容量;否则返回n+1
return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}
首先,为什么要对cap做减1操作。int n = cap – 1;
这是为了防止,cap已经是2的幂。如果cap已经是2的幂, 又没有执行这个减1操作,则执行完后面的几条无符号右移操作之后,返回的capacity将是这个cap的2倍。如果不懂,要看完后面的几个无符号右移之后再回来看看。
下面看看这几个无符号右移操作:
如果n这时为0了(经过了cap-1之后),则经过后面的几次无符号右移依然是0,最后返回的capacity是1(最后有个n+1的操作)。
这里只讨论n不等于0的情况。
第一次右移
n |= n >> 1;
由于n不等于0,则n的二进制表示中总会有一bit为1,这时考虑最高位的1。通过无符号右移1位,则将最高位的1右移了1位,再做或操作,使得n的二进制表示中与最高位的1紧邻的右边一位也为1,如000011xxxxxx。
第二次右移
n |= n >>> 2;
注意,这个n已经经过了n |= n >>> 1; 操作。假设此时n为000011xxxxxx ,则n无符号右移两位,会将最高位两个连续的1右移两位,然后再与原来的n做或操作,这样n的二进制表示的高位中会有4个连续的1。如00001111xxxxxx 。
第三次右移
n |= n >>> 4;
这次把已经有的高位中的连续的4个1,右移4位,再做或操作,这样n的二进制表示的高位中会有8个连续的1。如00001111 1111xxxxxx 。
以此类推
注意,容量最大也就是32bit的正数,因此最后n |= n >>> 16; ,最多也就32个1,但是这时已经大于了MAXIMUM_CAPACITY ,所以取值到MAXIMUM_CAPACITY 。
但是,请注意,在构造方法中,并没有对table这个成员变量进行初始化,table的初始化被推迟到了put方法中,在put方法中会对threshold重新计算。
扰动函数
HashMap 中的扰动函数是一个通过对 key 值类型自带的哈希函数生成的散列值进行位移计算来扰乱散列值,以达到降低哈希碰撞的概率的方法。源码中对应的是 hash(),但具体是如何进行移位和降低碰撞概率的??
// jdk 8
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
我们分析一下hash(),key.hash() 调用的是key类型自带的哈希函数,返回的是 int 类型的散列值。
如果没有扰动函数的情况下,我们拿着散列值作为下标找到 hashmap 中对应的桶位存下即可(不发送哈希冲突的情况下),但 int 类型是 32 位,很少有Hashmap的数组有40亿这么大,所以, key 类型自带的哈希函数返回的散列值不能拿来直接用。如果我们取低几位的 hash 值来做数组映射行不行,但是如果低位相同,高位不同的 hash 值就碰撞了,如:
// Hash 碰撞示例:
00000000 00000000 00000000 00000101 & 1111 = 0101 // H1
00000000 11111111 00000000 00000101 & 1111 = 0101 // H2
为了解决这个问题,HashMap 想了个办法,用扰动函数降低碰撞的概率。将 hash 值右移16位(hash值的高16位)与 原 hash 值做异或运算(^),从而得到一个新的散列值。如:
00000000 00000000 00000000 00000101 // H1
00000000 00000000 00000000 00000000 // H1 >>> 16
00000000 00000000 00000000 00000101 // hash = H1 ^ (H1 >>> 16) = 5
00000000 11111111 00000000 00000101 // H2
00000000 00000000 00000000 11111111 // H2 >>> 16
00000000 00000000 00000000 11111010 // hash = H2 ^ (H2 >>> 16) = 250
H1,H2 两个 hash 值经过扰动后,很明显不会发生碰撞。
总结
总的来说,不管是规定 Hashmap 的 n 为 2次幂,还是扰动函数,都是为了一个目标,降低哈希冲突的概率,从而使 HashMap 性能得到优化。而规定 n 为 2次幂,是在新建 Hashmap对象初始化时,规定其容量大小的角度来优化。而扰动函数是插入 key 值时改变 key 的散列值来达到优化效果。
今天的文章为什么HashMap默认初始容量为2次幂?不是2次幂会怎样?讲讲 HashMap 扰动函数?分享到此就结束了,感谢您的阅读。
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