hash算法及Java的HashTable源码分析

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Hash算法

　　Hash，一般翻译做“散列”，也有直接音译为“哈希”的，就是把任意长度的输入（又叫做预映射， pre-image），通过散列算法，变换成固定长度的输出，该输出就是散列值。这种转换是一种压缩映射，也就是，散列值的空间通常远小于输入的空间，不同的输入可能会散列成相同的输出，而不可能从散列值来唯一的确定输入值。简单的说就是一种将任意长度的消息压缩到某一固定长度的消息摘要的函数。

　　Hash主要用于信息安全领域中加密算法，它把一些不同长度的信息转化成杂乱的固定长度的编码（如128位），这些编码值叫做HASH值. 也可以说，Hash就是找到一种数据内容和数据存放地址之间的映射关系。

　　数组的特点是：寻址容易，插入和删除困难；而链表的特点是：寻址困难，插入和删除容易。那么我们可以综合两者的特性，做出一种寻址容易，插入删除也容易的数据结构，这就是我们要提起的哈希表，哈希表有多种不同的实现方法，我接下来解释的是最常用的一种方法——拉链法，我们可以理解为“链表的数组”，如图：

左边很明显是个数组，数组的每个成员包括一个指针，指向一个链表的头，当然这个链表可能为空，也可能元素很多。我们根据元素的一些特征把元素分配到不同的链表中去，也是根据这些特征，找到正确的链表，再从链表中找出这个元素。

　　元素特征转变为数组下标的方法就是散列法。散列法当然不止一种，下面列出三种比较常用的：

　　1，除留余数法

　　最直观的一种，上图使用的就是这种散列法，公式：
index = value % 16

　　2，平方散列法

　　求index是非常频繁的操作，而乘法的运算要比除法来得省时（对现在的CPU来说，估计我们感觉不出来），所以我们考虑把除法换成乘法和一个位移操作。公式：

  index = (value * value) >> 28   （右移，除以2^28。记法：左移变大，是乘。右移变小，是除。）

　　如果数值分配比较均匀的话这种方法能得到不错的结果，但我上面画的那个图的各个元素的值算出来的index都是0——非常失败。也许你还有个问题，value如果很大，value * value不会溢出吗？答案是会的，但我们这个乘法不关心溢出，因为我们根本不是为了获取相乘结果，而是为了获取index。

　　3，斐波那契（Fibonacci）散列法

　　平方散列法的缺点是显而易见的，所以我们能不能找出一个理想的乘数，而不是拿value本身当作乘数呢？答案是肯定的。

　　1，对于16位整数而言，这个乘数是40503。

　　2，对于32位整数而言，这个乘数是2654435769。

　　3，对于64位整数而言，这个乘数是11400714819323198485。

　　这几个“理想乘数”是如何得出来的呢？这跟一个法则有关，叫黄金分割法则，而描述黄金分割法则的最经典表达式无疑就是著名的斐波那契数列，即如此形式的序列：0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144,233, 377, 610， 987, 1597, 2584, 4181, 6765, 10946，…。另外，斐波那契数列的值和太阳系八大行星的轨道半径的比例出奇吻合。

　　对我们常见的32位整数而言，公式：

　　index = (value * 2654435769) >> 28

　　如果用这种斐波那契散列法的话，那上面的图就变成这样了：
　　
　　很明显，用斐波那契散列法调整之后要比原来的取摸散列法好很多。

适用范围

　　适用于需要快速查找、删除数据的应用中，尤其适用于大量数据的操作，通常需要总数据量可以放入内存。

基本原理及要点

　　hash函数选择，针对字符串、整数、排列，目前都有具体相应的hash方法。
　　碰撞处理，一种是open hashing，也称为拉链法；另一种就是closed hashing，也称开地址法，opened addressing。

Java的HashTable类源码分析

和HashMap一样，Hashtable 也是一个散列表，它存储的内容是键值对(key-value)映射。

Hashtable 继承于Dictionary，实现了Map、Cloneable、Java.io.Serializable接口。
Hashtable 的函数都是同步的，这意味着它是线程安全的。它的key、value都不可以为null。此外，Hashtable中的映射不是有序的。

通常，默认加载因子是 0.75, 这是在时间和空间成本上寻求一种折衷。加载因子过高虽然减少了空间开销，但同时也增加了查找某个条目的时间（在大多数 Hashtable 操作中，包括 get 和 put 操作，都反映了这一点）。

Hashtable类图

从图中可以看出：

1. Hashtable继承于Dictionary类，实现了Map接口。Map是”key-value键值对”接口，Dictionary是声明了操作”键值对”函数接口的抽象类。
2. Hashtable包括几个重要的成员变量：table, count, threshold, loadFactor, modCount。
   　　table是一个Entry[]数组类型，而Entry实际上就是一个单向链表。哈希表的”key-value键值对”都是存储在Entry数组中的。
   　　count是Hashtable的大小，它是Hashtable保存的键值对的数量。
   　　threshold是Hashtable的阈值，用于判断是否需要调整Hashtable的容量。threshold的值=”容量*加载因子”。
   　　loadFactor就是加载因子。

Hashtable数据存储数组

private transient Entry[] table;

数据节点Entry的数据结构

private static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    // 哈希值
    int hash;
    K key;
    V value;
    // 指向的下一个Entry，即链表的下一个节点
    Entry<K,V> next;

    // 构造函数
    protected Entry(int hash, K key, V value, Entry<K,V> next) {
        this.hash = hash;
        this.key = key;
        this.value = value;
        this.next = next;
    }

    protected Object clone() {
        return new Entry<K,V>(hash, key, value,
              (next==null ? null : (Entry<K,V>) next.clone()));
    }

    public K getKey() {
        return key;
    }

    public V getValue() {
        return value;
    }

    // 设置value。若value是null，则抛出异常。
    public V setValue(V value) {
        if (value == null)
            throw new NullPointerException();

        V oldValue = this.value;
        this.value = value;
        return oldValue;
    }

    // 覆盖equals()方法，判断两个Entry是否相等。
    // 若两个Entry的key和value都相等，则认为它们相等。
    public boolean equals(Object o) {
        if (!(o instanceof Map.Entry))
            return false;
        Map.Entry e = (Map.Entry)o;

        return (key==null ? e.getKey()==null : key.equals(e.getKey())) &&
           (value==null ? e.getValue()==null : value.equals(e.getValue()));
    }

    public int hashCode() {
        return hash ^ (value==null ? 0 : value.hashCode());
    }

    public String toString() {
        return key.toString()+"="+value.toString();
    }
}

从中，我们可以看出 Entry 实际上就是一个单向链表。这也是为什么我们说Hashtable是通过拉链法解决哈希冲突的。
Entry 实现了Map.Entry 接口，即实现getKey(), getValue(), setValue(V value), 这些都是基本的读取/修改key、value值的函数。equals(Object o), hashCode()这些函数在作为集合元素的类中必须重写的。

Hashtable的4个构造函数

// 默认构造函数。
public Hashtable() {
    // 默认构造函数，指定的容量大小是11；加载因子是0.75
    this(11, 0.75f);
}

// 指定“容量大小”的构造函数
public Hashtable(int initialCapacity) {
    this(initialCapacity, 0.75f);
}

// 指定“容量大小”和“加载因子”的构造函数
public Hashtable(int initialCapacity, float loadFactor) {
    if (initialCapacity < 0)
        throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                           initialCapacity);
    if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
        throw new IllegalArgumentException("Illegal Load: "+loadFactor);

    if (initialCapacity==0)
        initialCapacity = 1;
    this.loadFactor = loadFactor;
    table = new Entry[initialCapacity];
    threshold = (int)(initialCapacity * loadFactor);
}

// 包含“子Map”的构造函数
public Hashtable(Map<? extends K, ? extends V> t) {
    this(Math.max(2*t.size(), 11), 0.75f);
    // 将“子Map”的全部元素都添加到Hashtable中
    putAll(t);
}

Hashtable的主要接口方法

1.clear()

clear() 的作用是清空Hashtable。它是将Hashtable的table数组的值全部设为null

public synchronized void clear() {
    Entry tab[] = table;
    modCount++;
    for (int index = tab.length; --index >= 0; )
        tab[index] = null;
    count = 0;
}

2.contains() 和 containsValue()

contains() 和 containsValue() 的作用都是判断Hashtable是否包含“值(value)”

public boolean containsValue(Object value) {
    return contains(value);
}

public synchronized boolean contains(Object value) {
    // Hashtable中“键值对”的value不能是null，
    // 若是null的话，抛出异常!
    if (value == null) {
        throw new NullPointerException();
    }

    // 从后向前遍历table数组中的元素(Entry)
    // 对于每个Entry(单向链表)，逐个遍历，判断节点的值是否等于value
    Entry tab[] = table;
    for (int i = tab.length ; i-- > 0 ;) {
        for (Entry<K,V> e = tab[i] ; e != null ; e = e.next) {
            if (e.value.equals(value)) {
                return true;
            }
        }
    }
    return false;
}

3.containsKey()

containsKey() 的作用是判断Hashtable是否包含key

public synchronized boolean containsKey(Object key) {
    Entry tab[] = table;
    int hash = key.hashCode();
    // 计算索引值，
    // 采用了除留余数法，% tab.length 的目的是哈希值落在数组索引范围内
    int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
    // 找到“key对应的Entry(链表)”，然后在链表中找出“哈希值”和“键值”与key都相等的元素
    for (Entry<K,V> e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) {
        if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {
            return true;
        }
    }
    return false;
}

特别注意理解的地方：
这一行代码：if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key))这里其实只判断e.key.equals(key)即可，但是考虑到执行的速度，可以先判断e.hash == hash，因为hash是提前计算好的值且该判断比e.key.equals(key)执行速度要快，而hashtable里大部分元素的hash值是不相同的，只有当hash值相同时才用equal判断，这样就可以快速筛选hashtable的元素。

##### 4.elements()
elements() 的作用是返回“所有value”的枚举对象

public synchronized Enumeration<V> elements() {
    return this.<V>getEnumeration(VALUES);
}

// 获取Hashtable的枚举类对象
private <T> Enumeration<T> getEnumeration(int type) {
    if (count == 0) {
        return (Enumeration<T>)emptyEnumerator;
    } else {
        return new Enumerator<T>(type, false);
    }
}

从中，我们可以看出：
(01) 若Hashtable的实际大小为0,则返回“空枚举类”对象emptyEnumerator；
(02) 否则，返回正常的Enumerator的对象。(Enumerator实现了迭代器和枚举两个接口)

5.get()

get() 的作用就是获取key对应的value，没有的话返回null

public synchronized V get(Object key) {
    Entry tab[] = table;
    int hash = key.hashCode();
    // 计算索引值，
    int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
    // 找到“key对应的Entry(链表)”，然后在链表中找出“哈希值”和“键值”与key都相等的元素
    for (Entry<K,V> e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) {
        if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {
            return e.value;
        }
    }
    return null;
}

6.put()

put() 的作用是对外提供接口，让Hashtable对象可以通过put()将“key-value”添加到Hashtable中。

public synchronized V put(K key, V value) {
    // Hashtable中不能插入value为null的元素！！！
    if (value == null) {
        throw new NullPointerException();
    }

    // 若“Hashtable中已存在键为key的键值对”，
    // 则用“新的value”替换“旧的value”
    Entry tab[] = table;
    int hash = key.hashCode();
    int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
    for (Entry<K,V> e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) {
        if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {
            V old = e.value;
            e.value = value;
            return old;
            }
    }

    // 若“Hashtable中不存在键为key的键值对”，
    // (01) 将“修改统计数”+1
    modCount++;
    // (02) 若“Hashtable实际容量” > “阈值”(阈值=总的容量 * 加载因子)
    //  则调整Hashtable的大小
    if (count >= threshold) {
        // Rehash the table if the threshold is exceeded
        rehash();

        tab = table;
        index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
    }

    // (03) 将“Hashtable中index”位置的Entry(链表)保存到e中
    Entry<K,V> e = tab[index];
    // (04) 创建“新的Entry节点”，并将“新的Entry”插入“Hashtable的index位置”，并设置e为“新的Entry”的下一个元素(即“新Entry”为链表表头)。        
    tab[index] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
    // (05) 将“Hashtable的实际容量”+1
    count++;
    return null;
}

7. remove()

remove() 的作用就是删除Hashtable中键为key的元素

public synchronized V remove(Object key) {
    Entry tab[] = table;
    int hash = key.hashCode();
    int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
    // 找到“key对应的Entry(链表)”
    // 然后在链表中找出要删除的节点，并删除该节点。
    for (Entry<K,V> e = tab[index], prev = null ; e != null ; prev = e, e = e.next) {
        if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {
            modCount++;
            if (prev != null) {
                prev.next = e.next;
            } else {
                tab[index] = e.next;
            }
            count--;
            V oldValue = e.value;
            e.value = null;
            return oldValue;
        }
    }
    return null;
}

8.Hashtable实现的Cloneable接口

Hashtable实现了Cloneable接口，即实现了clone()方法。
clone()方法的作用很简单，就是克隆一个Hashtable对象并返回。

// 克隆一个Hashtable，并以Object的形式返回。
public synchronized Object clone() {
    try {
        Hashtable<K,V> t = (Hashtable<K,V>) super.clone();
        t.table = new Entry[table.length];
        for (int i = table.length ; i-- > 0 ; ) {
            t.table[i] = (table[i] != null)
            ? (Entry<K,V>) table[i].clone() : null;
        }
        t.keySet = null;
        t.entrySet = null;
        t.values = null;
        t.modCount = 0;
        return t;
    } catch (CloneNotSupportedException e) {
        // this shouldn't happen, since we are Cloneable
        throw new InternalError();
    }
}

参考资料：

《十一、从头到尾解析Hash 表算法》
《系统学习hash算法（哈希算法）》
《数据结构C语言版》严蔚敏