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HashMap 的一个关键性能优化就是扩容机制,即在哈希表达到一定负载因子时,自动进行扩容,以保持检索效率。
在这篇文章中,我们将深入研究 HashMap 的扩容机制,了解其原理和影响因素。
1. 初始容量和负载因子
在深入了解 HashMap 的扩容机制之前,我们先了解一下 HashMap 的构造函数中的两个重要参数:
初始容量和负载因子。
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)
1.1 initialCapacity(初始容量)
表示 HashMap 创建时的容量大小。默认为16,但可以根据预估的元素数量进行调整,以减少扩容次数。
1.2 loadFactor(负载因子)
表示哈希表在达到多少比例的容量时进行扩容。默认为0.75,即当哈希表的实际元素数量达到容量的 75% 时触发扩容。
2. 哈希表和负载因子的关系
HashMap 通过调整负载因子来平衡空间利用率和查找性能。
负载因子越大,哈希表的容量利用率越高,但可能导致哈希冲突增多;负载因子越小,哈希表的容量利用率越低,但减少了哈希冲突的可能性。
3. 扩容触发条件
HashMap 在什么情况下触发扩容呢?当哈希表中的元素数量达到负载因子与当前容量的乘积时,触发扩容操作。
具体公式为:
size > capacity * loadFactor
这时,HashMap 会将容量扩大为当前容量的两倍,并将原有的元素重新分配到新的哈希桶中。
4. 扩容过程
HashMap 的扩容过程并非简单地将数组大小翻倍。具体来说,扩容分为以下几个步骤:
4.1 创建新的哈希表数组
新的容量是原来容量的两倍,并且是大于等于当前元素数量除以负载因子的最小的2的幂。
int newCapacity = oldCapacity << 1;
while (newCapacity < size / loadFactor) {newCapacity <<= 1;
}
数组初始化值是 16,元素达到 12 时进行扩容,2 倍进行扩容后为 32。
4.2 迁移元素
将原哈希表中的元素重新计算哈希码并放入新的哈希表中。
//遍历旧数组
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {Node<K,V> e;if ((e = oldTab[j]) != null) {oldTab[j] = null;if (e.next == null)//hash、数组大小,进行与运算newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;else if (e instanceof TreeNode)((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);else { // preserve order//.......}}
}
重新 hash 计算,我们看到 JDK 采用的是与运算,没有采用取模计算,与运算效率更高。
4.3 替换旧的哈希表
扩容完成后,将新的哈希表替换为原来的哈希表。
table = newTable;
5. 扩容过程的性能影响
HashMap 的扩容虽然为了维持性能,但在扩容过程中可能引起性能波动。
在扩容期间,如果有其他线程正在对 HashMap 进行并发修改,可能会导致遍历不一致性或者链表/红黑树的结构异常。这也是为什么在多线程环境中建议使用 ConcurrentHashMap。
6. 性能优化建议
为了减少扩容次数,我们可以在创建 HashMap 时提前设定足够的初始容量。这样可以减少哈希冲突的可能性,延缓扩容操作的发生。
Map<String, Integer> map = new HashMap<>(1024, 0.75f);
总结
通过深入了解 HashMap 扩容原理,合理选择初始容量和负载因子,负载因子参数一般不建议修改,注意并发修改可能引起的问题,都是使用 HashMap 时需要考虑的重要因素。
希望今天的内容对初学 Java 的朋友有所启发或者帮助。各位,有帮助点个赞或在看呀:-),这对我非常重要。
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