JDK1.8中HashMap如何應對hash沖突？

1 什么是hash沖突

我們知道HashMap底層是由數組+鏈表/紅黑樹構成的，當我們通過put(key, value)向hashmap中添加元素時，需要通過散列函數確定元素究竟應該放置在數組中的哪個位置，當不同的元素被放置在了數據的同一個位置時，后放入的元素會以鏈表的形式，插在前一個元素的尾部，這個時候我們稱發生了hash沖突。

2 如何解決hash沖突

事實上，想讓hash沖突完全不發生，是不太可能的，我們能做的只是盡可能的降低hash沖突發生的概率：下面介紹在HashMap中是如何應對hash沖突的?

當我們向hashmap中put元素(key, value)時,最終會執行putVal()方法，而在putVal()方法中，又執行了hash(key)這個操作，并將執行結果作為參數傳遞給了putVal方法。那么我們先來看hash(key)方法干了什么。

public V put(K key, V value) {
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}

static final int hash(Object key) {
    int h;
   // 判斷key是否為null, 如果為null,則直接返回0;
   // 如果不為null，則返回(h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16)的執行結果
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

(h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16)執行了三步操作 ：我們一步一步來分析:

第1步：h = key.hashCode()

這一步會根據key值計算出一個int類型的h值也就是hashcode值，例如

"helloWorld".hashCode() --> -1554135584
"123456".hashCode() --> 1450575459
"我愛java".hashCode() --> -1588929438

至于hashCode()是如何根據key計算出hashcode值的，要分幾種情況進行分析:

1. 如果我們使用的自己創建的對象，在我們沒有重寫hashCode()方法的情況下,會調用Object類的hashCode()方法，而此時返回就是對象的內存地址值，所以如果對象不同，那么通過hashcode()計算出的hashcode就是不同的。
2. 如果是使用java中定義的引用類型例如String，Integer等作為key，這些類一般都會重寫hashCode()方法，有興趣可以翻看一下對應的源碼。簡單來說，Integer類的hashCode()返回的就是Integer值,而String類型的hashCode()方法稍稍復雜一點，這里不做展開。總的來說，hashCode()方法的作用就是要根據不同的key得到不同的hashCode值。

第2步：h >>> 16

這一步將第1步計算出的h值無符號右移16位。

為什么要右移16位，當然是位了第三步的操作。

第3步：h ^ (h >>> 16)

將hashcode值的高低16位進行異或操作(同0得0、同1得0、不同得1)得到hash值，舉例說明：

• 假設h值為：1290846991
• 它的二進制數為：01001100 11110000 11000011 00001111
• 右移十六位之后：00000000 00000000 01001100 11110000
• 進行異或操作后：01001100 11110000 10001100 11110000
• 最終得到的hash值：1290833136

那么問題來了: 明明通過第一步得到的hashcode值就可以作為hash返回，為什么還要要進行第二步和第三步的操作呢？答案是為了減少hash沖突！

元素在數組中存放的位置是由下面這行代碼決定的：

// 將(數組的長度-1)和hash值進行按位與操作:
i = (n - 1) & hash  // i為數組對應位置的索引  n為當前數組的大小

我們將上面這步操作作為第4步操作，來對比一下執行1、2、3、4四個步驟和只執行第1、4兩個步驟所產生的不同效果。

我們向hashmap中put兩個元素node1(key1, value1)、node2(key2, value2)，hashmap的數組長度n=16。

執行1、2、3、4 四個步驟:

1.h = key.hashCode()

• 假設計算的結果為：h = 3654061296
• 對應的二進制數為: 01101100 11100110 10001100 11110000

2.h >>> 16

• h無符號右移16位得到：00000000 00000000 01101100 11100110

3.hash = h ^ (h >>> 16)

• 異或操作后得到hash： 01101100 11110000 11100000 00000110

4.i = (n-1) & hash

• n-1=15 對應二進制數 : 00000000 00000000 00000000 00001111
• hash : 01101100 11110000 11100000 00000110
• hash & 15 : 00000000 00000000 00000000 00000110
• 轉化為10進制 ：&ensp 5

最終得到i的值為5，也就是說node1存放在數組索引為5的位置。

同理我們對(key2, value2) 進行上述同樣的操作過程:

1.h = key.hashCode()

• 假設計算的結果為：h = 3652881648
• 對應的二進制數為: 01101100 11011101 10001100 11110000

2.h >>> 16

• h無符號右移16位得到：00000000 00000000 01101100 11011101

3.hash = h ^ (h >>> 16)

• 異或操作后得到hash： 01101100 11110000 11100000 00101101

4.i = (n-1) & hash

• n-1=15 對應二進制數 : 00000000 00000000 00000000 00001111
• hash : 01101100 11110000 11100000 00101101
• hash & 15 : 00000000 00000000 00000000 00001101
• 轉化為10進制 ：&ensp 13

最終得到i的值為13，也就是說node2存放在數組索引為13的位置

node1和node2存儲的位置如下圖所示:

執行1、4兩個步驟:

1.h = key.hashCode()

• 計算的結果同樣為：h = 3654061296
• 對應的二進制數為: 01101100 11100110 10001100 11110000

4.i = (n-1) & hash

• n-1=15 對應二進制數 : 00000000 00000000 00000000 00001111
• hash(h) : 01101100 11100110 10001100 11110000
• hash & 15 : 00000000 00000000 00000000 00000000
• 轉化為10進制 ： 0

最終得到i的值為0，也就是說node1存放在數組索引為0的位置

同理我們對(key2, value2) 進行上述同樣的操作過程:

1.h = key.hashCode()

• 計算的結果同樣為：h = 3652881648
• 對應的二進制數為: 01101100 11011101 10001100 11110000

4.i = (n-1) & hash

• n-1=15 對應二進制數 : 00000000 00000000 00000000 00001111
• hash(h) : 01101100 11110000 11100000 11110000
• hash & 15 : 00000000 00000000 00000000 00000000
• 轉化為10進制 ： 0

最終得到i的值為0，也就是說node2同樣存放在數組索引為0的位置

node1和node2存儲的位置如下圖所示:

相信大家已經看出區別了：

當數組長度n較小時，n-1的二進制數高16位全部位0，這個時候如果直接和h值進行&（按位與）操作，那么只能利用到h值的低16位數據，這個時候會大大增加hash沖突發生的可能性，因為不同的h值轉化為2進制后低16位是有可能相同的，如上面所舉例子中:key1.hashCode() 和key2.hashCode() 得到的h值不同，一個h1 = 3654061296 ，另一個h2 = 3652881648，但是不幸的是這h1、h2兩個數轉化為2進制后低16位是完全相同的，所以h1 & (n-1)和 h2 & (n-1) 會計算出相同的結果，這也導致了node1和node2 存儲在了數組索引相同的位置，發生了hash沖突。

當我們使用進行 h ^ (h >>> 16) 操作時，會將h的高16位數據和低16位數據進行異或操作，最終得出的hash值的高16位保留了h值的高16位數據，而hash值的低16數據則是h值的高低16位數據共同作用的結果。所以即使h1和h2的低16位相同，最終計算出的hash值低16位也大概率是不同的，降低了hash沖突發生的概率。

ps：這里面還有一個值的注意的點: 為什么是(n-1)?

我們知道n是hashmap中數組的長度,那么為要進行n-1的操作？答案同樣是為了降低hash沖突發生的概率！

要理解這一點，我們首先要知道HashMap規定了數組的長度n必須為2的整數次冪，至于為什么是2的整數次冪，會在HashMap的擴容方法resize()里詳細講。

既然n為2的整數次冪，那么n一定是一個偶數。那么我們來比較i = hash & n和 i = hash & (n-1)有什么異同。

n為偶數，那么n轉化為2進制后最低位一定為0，與hash進行按位與操作后最低位仍一定為0，這就導致i值只能為偶數，這樣就浪費了數組中索引為奇數的空間，同時也增加了hash沖突發生的概率。

所以我們要執行n-1,得到一個奇數，這樣n-1轉化為二進制后低位一定為1，與hash進行按位與操作后最低位即可能位0也可能位1，這就是使得i值即可能為偶數，也可能為奇數，充分利用了數組的空間，降低hash沖突發生的概率。

至此, JDK1.8中 HashMap 是如何在存儲元素時減少hash發生就講解完畢了！