Java基础之hashcode剖析

2022-06-06 19:54:41

1. 前言

散列是计算机科学的一个基本概念。在 Java 中，高效的散列算法支持一些最流行的集合，例如HashMap和HashSet,在本文中，我们将重点介绍hashCode() 的工作原理、它如何在集合中使用以及如何正确实现它。

2. hashcode 原理

2.1 Java equals()和hashCode()的关系

Object.html#hashCode()

hashcode的理解

hashCode的存在主要是用于查找的快捷性，如Hashtable，HashMap等，hashCode是用来在散列存储结构中确定对象的存储地址的；
如果两个对象相同，就是适用于equals(java.lang.Object) 方法，那么这两个对象的hashCode一定要相同；
如果对象的equals方法被重写，那么对象的hashCode也尽量重写，并且产生hashCode使用的对象，一定要和equals方法中使用的一致，否则就会违反上面提到的第2点；
两个对象的hashCode相同，并不一定表示两个对象就相同，也就是不一定适用于equals(java.lang.Object) 方法，只能够说明这两个对象在散列存储结构中，如Hashtable，他们 “存放在同一个篮子里” 。

再归纳一下就是 hashCode是用于查找使用的，而 equals是用于比较两个对象的是否相等的。以下这段话是从别人帖子回复拷贝过来的，说得很形象：

(1) hashcode是用来查找的，如果你学过数据结构就应该知道，在查找和排序说过：假如内存中有这样的位置 [0 1 2 3 4 5 6 7] 而我有个类，这个类有个字段叫ID,我要把这个类存放在以上8个位置之一，如果不用hashcode而任意存放，那么当查找时就需要到这八个位置里挨个去找，或者用类似二分法的算法。但如果用hashcode那就会使效率提高很多。

我们这个类中有个字段叫ID,那么我们就定义我们的hashcode为ID％8，然后把我们的类存放在取得得余数那个位置。比如我们的ID为9，9除8的余数为1，那么我们就把该类存在1这个位置，如果ID是13，求得的余数是5，那么我们就把该类放在5这个位置。这样，以后在查找该类时就可以通过ID和8求余数直接找到存放的位置了。

(2) 但是如果两个类有相同的hashcode该怎么办呢（假设上面的ID不是唯一的），假如 9%8=1，17%8=1，那么这是不是合法的呢？回答是：可以这样。

那么如何判断呢？在这个时候就需要定义 equals了。也就是说，我们先通过hashcode来判断两个类是否存放在一个桶里面，但是这个桶里面可以有很多类，那么我们就需要通过equals 来在这个桶里找到我们要的类。

那么。重写了equals()，为什么还要重写hashCode()呢？

想想，你要在一个桶里找东西，你必须先要找到这个桶啊，你不通过重写hashcode()来找到桶，光重写equals()有什么用啊

2.2 举例分析

package com.wxw.common.hashcode;

import java.util.HashSet;
import java.util.Set;

/**
 * @author 公众号：Java半颗糖
 * @desc:
 * @date: 2021/7/24
 */
public class DemoHashCode {

    private int id;

    public void setId(Integer id) {
        this.id = id;
    }

    public Integer getId() {
        return id;
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        return id % 10;
    }

    public static void main(String[] args) {
        DemoHashCode a = new DemoHashCode();
        DemoHashCode b = new DemoHashCode();
        a.setId(1);
        b.setId(1);
        Set<DemoHashCode> set = new HashSet<>();
        set.add(a);
        set.add(b);
        System.out.println(a.hashCode() == b.hashCode());
        System.out.println(a.equals(b));
        System.out.println(set);

        /**
         * ----------
         * 运行结果：
         * true
         * false
         * [com.wxw.common.hashcode.DemoHashCode@1, com.wxw.common.hashcode.DemoHashCode@1]
         */
    }

}
复制代码

以上这个示例，我们只重写了hashcode() 方法，从上面的结果可以看出，虽然两个对象的hashcode相等，但实际上两个对象并不相等。

我们没有重写 equals()方法，那么就会调用Object默认的equals()方法，是比较两个对象的引用是不是相同，实际上两个对象的引用肯定是不等的，这里我们将生成的对象放到了HashSet中，而HashSet中只能够存放唯一的对象，也就是相同的（适用于equals方法）的对象只会存放一个，但是这里实际上是两个对象a,b都被放到了HashSet中，这样HashSet就失去了他本身的意义了。此时我们把equals方法给加上：

package com.wxw.common.hashcode;

import java.util.HashSet;
import java.util.Set;

/**
 * @author 公众号：Java半颗糖
 * @desc:
 * @date: 2021/7/24
 */
public class DemoHashCode {

    private int id;

    public void setId(Integer id) {
        this.id = id;
    }

    public Integer getId() {
        return id;
    }

    @Override
    public boolean equals(Object o) {
        if (this == o) return true;
        if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false;
        DemoHashCode that = (DemoHashCode) o;
        return id == that.id;
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        return id % 10;
    }

    public static void main(String[] args) {
        DemoHashCode a = new DemoHashCode();
        DemoHashCode b = new DemoHashCode();
        a.setId(1);
        b.setId(1);
        Set<DemoHashCode> set = new HashSet<>();
        set.add(a);
        set.add(b);
        System.out.println(a.hashCode() == b.hashCode());
        System.out.println(a.equals(b));
        System.out.println(set);

        /**
         * ----------
         * 运行结果：
         * true
         * true
         * [com.wxw.common.hashcode.DemoHashCode@1]
         */
    }

}
复制代码

从结果我们可以看出，现在两个对象就完全相等了，HashSet中也只存放了一份对象。

3. hash 冲突

哈希表的内在行为也带来了相应的问题：即使使用有效的哈希算法，两个或多个对象可能具有相同的哈希码，即使两个对象不相等。因此，即使它们具有不同的散列值，它们的散列码也会指向同一个桶。这种情况通常被称为散列冲突。

解决hash冲突的方法，详细分析可以点此处查看：

链表法
开放寻址法

Java中的hashMap是使用链表法解决hash冲突的

当两个或多个对象指向同一个存储桶时，它们只是存储在一个链表中。在这种情况下，哈希表是一个链表数组，每个具有相同哈希值的对象都附加到链表中的通索引处。

在最坏的情况下，几个桶会绑定一个链表，而对链表中对象的检索将是线性执行的。

处理哈希冲突简言之，为什么高效地实现 hashCode()如此重要？

Java8 也为HashMap的实现进行了增强，如果桶大小超过8，节点入超过64，则会转换为红黑树，而不是使用链表，这样当链表太长接近线性查找（复杂度为O(n)）时用红黑树 O(logN) 代替。

3.1 hashmap和hashcode的联系

User类中我们重写hashcode方法

@Data
public class User {
    private long userId;
    private String userName;
    private String email;

    @Override
    public int hashCode() {
        int hash = 7;
        hash = 31 * hash + (int) userId;
        hash = 31 * hash + (userName == null ? 0 : userName.hashCode());
        hash = 31 * hash + (email == null ? 0 : email.hashCode());
        System.out.println("hashCode() called - Computed hash: " + hash);
        return hash;
    }

    public User(Long userId, String userName, String email) {
        this.userId = userId;
        this.userName = userName;
        this.email = email;
    }
}
复制代码

应用程序的入口：

public class DemoHashMap {

    public static void main(String[] args) {
        Map<User, User> users = new HashMap<>();
        User user1 = new User(1L, "John", "john@domain.com");
        User user2 = new User(2L, "Jennifer", "jennifer@domain.com");
        User user3 = new User(3L, "Mary", "mary@domain.com");
        users.put(user1, user1);
        users.put(user2, user2);
        users.put(user3, user3);

        if (users.containsKey(user1)) {
            System.out.print("User found in the collection");
        }
    }
}
复制代码

在这里，重要的是要注意，每次将对象存储在哈希映射中并使用containsKey() 方法检查时，都会调用hashCode() 并将计算出的哈希码打印到控制台：

结论

很明显，生成高效的hashCode() 实现通常需要混合一些数学概念（即素数和任意数）、逻辑和基本数学运算。但是我们也可以有效地实现hashCode()，只需要确保散列算法为不相等的对象生成不同的散列码，并且它与equals()* 的实现一致

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