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浅谈Java中的hashcode方法

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发表于 2017-7-6 22:37:33 | 显示全部楼层 |阅读模式
哈希表这个数据结构想必大多数人都不陌生,而且在很多地方都会利用到hash表来提高查找效率。在Java的Object类中有一个方法:
  1. public native int hashCode();
复制代码
  根据这个方法的声明可知,该方法返回一个int类型的数值,并且是本地方法,因此在Object类中并没有给出具体的实现。
  为何Object类需要这样一个方法?它有什么作用呢?今天我们就来具体探讨一下hashCode方法。
一.hashCode方法的作用
  对于包含容器类型的程序设计语言来说,基本上都会涉及到hashCode。在Java中也一样,hashCode方法的主要作用是为了配合基于散列的集合一起正常运行,这样的散列集合包括HashSet、HashMap以及HashTable。
  为什么这么说呢?考虑一种情况,当向集合中插入对象时,如何判别在集合中是否已经存在该对象了?(注意:集合中不允许重复的元素存在)
  也许大多数人都会想到调用equals方法来逐个进行比较,这个方法确实可行。但是如果集合中已经存在一万条数据或者更多的数据,如果采用equals方法去逐一比较,效率必然是一个问题。此时hashCode方法的作用就体现出来了,当集合要添加新的对象时,先调用这个对象的hashCode方法,得到对应的hashcode值,实际上在HashMap的具体实现中会用一个table保存已经存进去的对象的hashcode值,如果table中没有该hashcode值,它就可以直接存进去,不用再进行任何比较了;如果存在该hashcode值, 就调用它的equals方法与新元素进行比较,相同的话就不存了,不相同就散列其它的地址,所以这里存在一个冲突解决的问题,这样一来实际调用equals方法的次数就大大降低了,说通俗一点:Java中的hashCode方法就是根据一定的规则将与对象相关的信息(比如对象的存储地址,对象的字段等)映射成一个数值,这个数值称作为散列值。下面这段代码是java.util.HashMap的中put方法的具体实现:
  1. public V put(K key, V value) {
  2.         if (key == null)
  3.             return putForNullKey(value);
  4.         int hash = hash(key.hashCode());
  5.         int i = indexFor(hash, table.length);
  6.         for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
  7.             Object k;
  8.             if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
  9.                 V oldValue = e.value;
  10.                 e.value = value;
  11.                 e.recordAccess(this);
  12.                 return oldValue;
  13.             }
  14.         }

  15.         modCount++;
  16.         addEntry(hash, key, value, i);
  17.         return null;
  18.     }
复制代码
  put方法是用来向HashMap中添加新的元素,从put方法的具体实现可知,会先调用hashCode方法得到该元素的hashCode值,然后查看table中是否存在该hashCode值,如果存在则调用equals方法重新确定是否存在该元素,如果存在,则更新value值,否则将新的元素添加到HashMap中。从这里可以看出,hashCode方法的存在是为了减少equals方法的调用次数,从而提高程序效率。
  如果对于hash表这个数据结构的朋友不清楚,可以参考这几篇博文;
  有些朋友误以为默认情况下,hashCode返回的就是对象的存储地址,事实上这种看法是不全面的,确实有些JVM在实现时是直接返回对象的存储地址,但是大多时候并不是这样,只能说可能存储地址有一定关联。下面是HotSpotJVM中生成hash散列值的实现:
  1. static inline intptr_t get_next_hash(Thread * Self, oop obj) {
  2.   intptr_t value = 0 ;
  3.   if (hashCode == 0) {
  4.      // This form uses an unguarded global Park-Miller RNG,
  5.      // so it's possible for two threads to race and generate the same RNG.
  6.      // On MP system we'll have lots of RW access to a global, so the
  7.      // mechanism induces lots of coherency traffic.
  8.      value = os::random() ;
  9.   } else
  10.   if (hashCode == 1) {
  11.      // This variation has the property of being stable (idempotent)
  12.      // between STW operations.  This can be useful in some of the 1-0
  13.      // synchronization schemes.
  14.      intptr_t addrBits = intptr_t(obj) >> 3 ;
  15.      value = addrBits ^ (addrBits >> 5) ^ GVars.stwRandom ;
  16.   } else
  17.   if (hashCode == 2) {
  18.      value = 1 ;            // for sensitivity testing
  19.   } else
  20.   if (hashCode == 3) {
  21.      value = ++GVars.hcSequence ;
  22.   } else
  23.   if (hashCode == 4) {
  24.      value = intptr_t(obj) ;
  25.   } else {
  26.      // Marsaglia's xor-shift scheme with thread-specific state
  27.      // This is probably the best overall implementation -- we'll
  28.      // likely make this the default in future releases.
  29.      unsigned t = Self->_hashStateX ;
  30.      t ^= (t << 11) ;
  31.      Self->_hashStateX = Self->_hashStateY ;
  32.      Self->_hashStateY = Self->_hashStateZ ;
  33.      Self->_hashStateZ = Self->_hashStateW ;
  34.      unsigned v = Self->_hashStateW ;
  35.      v = (v ^ (v >> 19)) ^ (t ^ (t >> 8)) ;
  36.      Self->_hashStateW = v ;
  37.      value = v ;
  38.   }

  39.   value &= markOopDesc::hash_mask;
  40.   if (value == 0) value = 0xBAD ;
  41.   assert (value != markOopDesc::no_hash, "invariant") ;
  42.   TEVENT (hashCode: GENERATE) ;
  43.   return value;
  44. }
复制代码
  该实现位于hotspot/src/share/vm/runtime/synchronizer.cpp文件下。
  因此有人会说,可以直接根据hashcode值判断两个对象是否相等吗?肯定是不可以的,因为不同的对象可能会生成相同的hashcode值。虽然不能根据hashcode值判断两个对象是否相等,但是可以直接根据hashcode值判断两个对象不等,如果两个对象的hashcode值不等,则必定是两个不同的对象。如果要判断两个对象是否真正相等,必须通过equals方法。
  也就是说对于两个对象,如果调用equals方法得到的结果为true,则两个对象的hashcode值必定相等;
  如果equals方法得到的结果为false,则两个对象的hashcode值不一定不同;
  如果两个对象的hashcode值不等,则equals方法得到的结果必定为false;
  如果两个对象的hashcode值相等,则equals方法得到的结果未知。
二.equals方法和hashCode方法
  在有些情况下,程序设计者在设计一个类的时候为需要重写equals方法,比如String类,但是千万要注意,在重写equals方法的同时,必须重写hashCode方法。为什么这么说呢?
  下面看一个例子:
  1. package com.cxh.test1;

  2. import java.util.HashMap;
  3. import java.util.HashSet;
  4. import java.util.Set;

  5. class People{
  6.     private String name;
  7.     private int age;
  8.      
  9.     public People(String name,int age) {
  10.         this.name = name;
  11.         this.age = age;
  12.     }  
  13.     public void setAge(int age){
  14.         this.age = age;
  15.     }
  16.     @Override
  17.     public boolean equals(Object obj) {
  18.         // TODO Auto-generated method stub
  19.         return this.name.equals(((People)obj).name) && this.age== ((People)obj).age;
  20.     }
  21. }

  22. public class Main {
  23.     public static void main(String[] args) {
  24.          
  25.         People p1 = new People("Jack", 12);
  26.         System.out.println(p1.hashCode());
  27.             
  28.         HashMap<People, Integer> hashMap = new HashMap<People, Integer>();
  29.         hashMap.put(p1, 1);
  30.          
  31.         System.out.println(hashMap.get(new People("Jack", 12)));
  32.     }
  33. }
复制代码
  在这里我只重写了equals方法,也就说如果两个People对象,如果它的姓名和年龄相等,则认为是同一个人。
  这段代码本来的意愿是想这段代码输出结果为“1”,但是事实上它输出的是“null”。为什么呢?原因就在于重写equals方法的同时忘记重写hashCode方法。
  虽然通过重写equals方法使得逻辑上姓名和年龄相同的两个对象被判定为相等的对象(跟String类类似),但是要知道默认情况下,hashCode方法是将对象的存储地址进行映射。那么上述代码的输出结果为“null”就不足为奇了。原因很简单,p1指向的对象和
  System.out.println(hashMap.get(newPeople("Jack", 12)));这句中的new People("Jack", 12)生成的是两个对象,它们的存储地址肯定不同。下面是HashMapget方法的具体实现:
  1. public V get(Object key) {
  2.         if (key == null)
  3.             return getForNullKey();
  4.         int hash = hash(key.hashCode());
  5.         for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];
  6.              e != null;
  7.              e = e.next) {
  8.             Object k;
  9.             if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))
  10.                 return e.value;
  11.         }
  12.         return null;
  13.     }
复制代码
  所以在hashmap进行get操作时,因为得到的hashcdoe值不同(注意,上述代码也许在某些情况下会得到相同的hashcode值,不过这种概率比较小,因为虽然两个对象的存储地址不同也有可能得到相同的hashcode值),所以导致在get方法中for循环不会执行,直接返回null。
  因此如果想上述代码输出结果为“1”,很简单,只需要重写hashCode方法,让equals方法和hashCode方法始终在逻辑上保持一致性。
  1. package com.cxh.test1;

  2. import java.util.HashMap;
  3. import java.util.HashSet;
  4. import java.util.Set;


  5. class People{
  6.     private String name;
  7.     private int age;
  8.      
  9.     public People(String name,int age) {
  10.         this.name = name;
  11.         this.age = age;
  12.     }  
  13.      
  14.     public void setAge(int age){
  15.         this.age = age;
  16.     }
  17.      
  18.     @Override
  19.     public int hashCode() {
  20.         // TODO Auto-generated method stub
  21.         return name.hashCode()*37+age;
  22.     }
  23.      
  24.     @Override
  25.     public boolean equals(Object obj) {
  26.         // TODO Auto-generated method stub
  27.         return this.name.equals(((People)obj).name) && this.age== ((People)obj).age;
  28.     }
  29. }

  30. public class Main {

  31.     public static void main(String[] args) {
  32.          
  33.         People p1 = new People("Jack", 12);
  34.         System.out.println(p1.hashCode());
  35.             
  36.         HashMap<People, Integer> hashMap = new HashMap<People, Integer>();
  37.         hashMap.put(p1, 1);
  38.          
  39.         System.out.println(hashMap.get(new People("Jack", 12)));
  40.     }

  41. }
复制代码
  这样一来的话,输出结果就为“1”了。
  下面这段话摘自Effective Java一书:
在程序执行期间,只要equals方法的比较操作用到的信息没有被修改,那么对这同一个对象调用多次,hashCode方法必须始终如一地返回同一个整数。
如果两个对象根据equals方法比较是相等的,那么调用两个对象的hashCode方法必须返回相同的整数结果。
如果两个对象根据equals方法比较是不等的,则hashCode方法不一定得返回不同的整数。
  对于第二条和第三条很好理解,但是第一条,很多时候就会忽略。在《Java编程思想》一书中的P495页也有同第一条类似的一段话:
  “设计hashCode()时最重要的因素就是:无论何时,对同一个对象调用hashCode()都应该产生同样的值。如果在讲一个对象用put()添加进HashMap时产生一个hashCdoe值,而用get()取出时却产生了另一个hashCode值,那么就无法获取该对象了。所以如果你的hashCode方法依赖于对象中易变的数据,用户就要当心了,因为此数据发生变化时,hashCode()方法就会生成一个不同的散列码”。
  下面举个例子:
  1. package com.cxh.test1;

  2. import java.util.HashMap;
  3. import java.util.HashSet;
  4. import java.util.Set;


  5. class People{
  6.     private String name;
  7.     private int age;
  8.      
  9.     public People(String name,int age) {
  10.         this.name = name;
  11.         this.age = age;
  12.     }  
  13.      
  14.     public void setAge(int age){
  15.         this.age = age;
  16.     }
  17.      
  18.     @Override
  19.     public int hashCode() {
  20.         // TODO Auto-generated method stub
  21.         return name.hashCode()*37+age;
  22.     }
  23.      
  24.     @Override
  25.     public boolean equals(Object obj) {
  26.         // TODO Auto-generated method stub
  27.         return this.name.equals(((People)obj).name) && this.age== ((People)obj).age;
  28.     }
  29. }

  30. public class Main {

  31.     public static void main(String[] args) {
  32.          
  33.         People p1 = new People("Jack", 12);
  34.         System.out.println(p1.hashCode());
  35.          
  36.         HashMap<People, Integer> hashMap = new HashMap<People, Integer>();
  37.         hashMap.put(p1, 1);
  38.          
  39.         p1.setAge(13);
  40.          
  41.         System.out.println(hashMap.get(p1));
  42.     }
  43. }
复制代码
  这段代码输出的结果为“null”,想必其中的原因大家应该都清楚了。
  因此,在设计hashCode方法和equals方法的时候,如果对象中的数据易变,则最好在equals方法和hashCode方法中不要依赖于该字段。
      

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