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jdk1.8hashmap为什么对hash进行了一次扰动处理

陌岛 2022-02-26 阅读 71
public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}

static final int hash(Object key) {
int h;
// 判断key是否为null, 如果为null,则直接返回0;
// 如果不为null,则返回(h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16)的执行结果
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

我们一步一步来分析

  • 第1步:h = key.hashCode()
"helloWorld".hashCode() --> -1554135584
"123456".hashCode() --> 1450575459
"我爱java".hashCode() --> -1588929438

  • 第2步:h >>> 16
    无符号右移(>>>):
    对于正数的带符号右移,不论正数还是负数,移位过程中高位均补零。
    在这里插入图片描述

  • 第3步:h ^ (h >>> 16)

假设h值为:1290846991
它的二进制数为:01001100 11110000 11000011 00001111
右移十六位之后:00000000 00000000 01001100 11110000
进行异或操作后:01001100 11110000 10001100 11110000
最终得到的hash值:1290833136

  • 第四步:计算元素在数组中存放的位置
    由下面这行代码决定的:
// 将(数组的长度-1)和hash值进行按位与操作:
i = (n - 1) & hash // i为数组对应位置的索引 n为当前数组的大小

我们将上面这步操作作为第4步操作,来对比一下执行1、2、3、4四个步骤和只执行第1、4两个步骤所产生的不同效果。

我们向hashmap中put两个元素node1(key1, value1)、node2(key2, value2),hashmap的数组长度n=16。

执行1、2、3、4 四个步骤:

  1. h = key.hashCode()
    假设计算的结果为:h = 3654061296
    对应的二进制数为:    01101100 11100110 10001100 11110000
  2. h >>> 16
    h无符号右移16位得到: 00000000 00000000 01101100 11100110
  3. hash = h ^ (h >>> 16)
    异或操作后得到hash:  01101100 11110000 11100000 00000110
  4. i = (n-1) & hash
    n-1=15 对应二进制数 :    00000000 00000000 00000000 00001111
    hash :   01101100 11110000 11100000 00000110
    hash & 15 :    00000000 00000000 00000000 00000110
    转化为10进制 : &ensp 5
    最终得到i的值为5,也就是说node1存放在数组索引为5的位置。

同理我们对(key2, value2) 进行上述同样的操作过程:

  1. h = key.hashCode()
    假设计算的结果为:h = 3652881648
    对应的二进制数为:    01101100 11011101 10001100 11110000
  2. h >>> 16
    h无符号右移16位得到: 00000000 00000000 01101100 11011101
  3. hash = h ^ (h >>> 16)
    异或操作后得到hash:  01101100 11110000 11100000 00101101
  4. i = (n-1) & hash
    n-1=15 对应二进制数 :    00000000 00000000 00000000 00001111
    hash :   01101100 11110000 11100000 00101101
    hash & 15 :   00000000 00000000 00000000 00001101
    转化为10进制 : &ensp 13
    最终得到i的值为13,也就是说node2存放在数组索引为13的位置

执行1、4两个步骤:

  1. h = key.hashCode()
    计算的结果同样为:h = 3654061296
    对应的二进制数为:    01101100 11100110 10001100 11110000
  2. i = (n-1) & hash
    n-1=15 对应二进制数 :    00000000 00000000 00000000 00001111
    hash(h) :   01101100 11100110 10001100 11110000
    hash & 15 :   00000000 00000000 00000000 00000000
    转化为10进制 :   0
    最终得到i的值为0,也就是说node1存放在数组索引为0的位置

同理我们对(key2, value2) 进行上述同样的操作过程:

  1. h = key.hashCode()
    计算的结果同样为:h = 3652881648
    对应的二进制数为:    01101100 11011101 10001100 11110000
  2. i = (n-1) & hash
    n-1=15 对应二进制数 :    00000000 00000000 00000000 00001111
    hash(h) :   01101100 11110000 11100000 11110000
    hash & 15 :   00000000 00000000 00000000 00000000
    转化为10进制 :   0
    最终得到i的值为0,也就是说node2同样存放在数组索引为0的位置

相信大家已经看出区别了:

​ ​ 当数组长度n较小时,n-1的二进制数高16位全部位0,这个时候如果直接和h值进行&(按位与)操作,那么只能利用到h值的低16位数据,这个时候会大大增加hash冲突发生的可能性,因为不同的h值转化为2进制后低16位是有可能相同的,如上面所举例子中:key1.hashCode() 和key2.hashCode() 得到的h值不同,一个h1 = 3654061296 ,另一个h2 = 3652881648,但是不幸的是这h1、h2两个数转化为2进制后低16位是完全相同的,所以h1 & (n-1)和 h2 & (n-1) 会计算出相同的结果,这也导致了node1和node2 存储在了数组索引相同的位置,发生了hash冲突。

​ 当我们使用进行 h ^ (h >>> 16) 操作时,会将h的高16位数据和低16位数据进行异或操作,最终得出的hash值的高16位保留了h值的高16位数据,而hash值的低16数据则是h值的高低16位数据共同作用的结果。所以即使h1和h2的低16位相同,最终计算出的hash值低16位也大概率是不同的,降低了hash冲突发生的概率。

ps:这里面还有一个值的注意的点: 为什么是(n-1)?

我们知道n是hashmap中数组的长度,那么为要进行n-1的操作?答案同样是为了降低hash冲突发生的概率!

要理解这一点,我们首先要知道HashMap规定了数组的长度n必须为2的整数次幂,至于为什么是2的整数次幂,会在HashMap的扩容方法resize()里详细讲。

既然n为2的整数次幂,那么n一定是一个偶数。那么我们来比较i = hash & n和 i = hash & (n-1)有什么异同。

n为偶数,那么n转化为2进制后最低位一定为0,与hash进行按位与操作后最低位仍一定为0,这就导致i值只能为偶数,这样就浪费了数组中索引为奇数的空间,同时也增加了hash冲突发生的概率。

所以我们要执行n-1,得到一个奇数,这样n-1转化为二进制后低位一定为1,与hash进行按位与操作后最低位即可能位0也可能位1,这就是使得i值即可能为偶数,也可能为奇数,充分利用了数组的空间,降低hash冲突发生的概率。

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