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为了彻底搞懂 hashCode,我连 JDK 的源码都没放过(建议收藏)

简介: 为了彻底搞懂 hashCode,我连 JDK 的源码都没放过(建议收藏)
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今天我们来谈谈 Java 中的 hashCode() 方法——通过源码的角度。众所周知,Java 是一门面向对象的编程语言,所有的类都会默认继承自 Object 类,而 Object 的中文意思就是“对象”。


Object 类中就包含了 hashCode() 方法:


@HotSpotIntrinsicCandidate
public native int hashCode();


意味着所有的类都会有一个 hashCode() 方法,该方法会返回一个 int 类型的值。由于 hashCode() 方法是一个本地方法(native 关键字修饰的方法,用 C/C++ 语言实现,由 Java 调用),意味着 Object 类中并没有给出具体的实现。


具体的实现可以参考 jdk/src/hotspot/share/runtime/synchronizer.cpp(源码可以到 GitHub 上 OpenJDK 的仓库中下载)。get_next_hash() 方法会根据 hashCode 的取值来决定采用哪一种哈希值的生成策略。


image.png


并且 hashCode() 方法被 @HotSpotIntrinsicCandidate 注解修饰,说明它在 HotSpot 虚拟机中有一套高效的实现,基于 CPU 指令。


我在 CSDN 共输出了 100 多篇 Java 方面的文章,总字数超过 30 万字, 内容风趣幽默、通俗易懂,收获了很多初学者的认可和支持,内容包括 Java 语法、Java 集合框架、Java 并发编程、Java 虚拟机等核心内容。


为了帮助更多的 Java 初学者,我“一怒之下”就把这些文章重新整理并开源到了 GitHub,起名《教妹学 Java》,听起来是不是就很有趣?


GitHub 开源地址(欢迎 star):https://github.com/itwanger/jmx-java


大家有没有想过这样一个问题:为什么 Object 类需要一个 hashCode() 方法呢?


在 Java 中,hashCode() 方法的主要作用就是为了配合哈希表使用的。


哈希表(Hash Table),也叫散列表,是一种可以通过关键码值(key-value)直接访问的数据结构,它最大的特点就是可以快速实现查找、插入和删除。其中用到的算法叫做哈希,就是把任意长度的输入,变换成固定长度的输出,该输出就是哈希值。像 MD5、SHA1 都用的是哈希算法。


像 Java 中的 HashSet、Hashtable(注意是小写的 t)、HashMap 都是基于哈希表的具体实现。其中的 HashMap 就是最典型的代表,不仅面试官经常问,工作中的使用频率也非常的高。


大家想一下,如果没有哈希表,但又需要这样一个数据结构,它里面存放的数据是不允许重复的,该怎么办呢?


要不使用 equals() 方法进行逐个比较?这种方案当然是可行的。但如果数据量特别特别大,采用 equals() 方法进行逐个对比的效率肯定很低很低,最好的解决方案就是哈希表。


拿 HashMap 来说吧。当我们要在它里面添加对象时,先调用这个对象的 hashCode() 方法,得到对应的哈希值,然后将哈希值和对象一起放到 HashMap 中。当我们要再添加一个新的对象时:


获取对象的哈希值;

和之前已经存在的哈希值进行比较,如果不相等,直接存进去;

如果有相等的,再调用 equals() 方法进行对象之间的比较,如果相等,不存了;

如果不等,说明哈希冲突了,增加一个链表,存放新的对象;

如果链表的长度大于 8,转为红黑树来处理。

就这么一套下来,调用 equals() 方法的频率就大大降低了。也就是说,只要哈希算法足够的高效,把发生哈希冲突的频率降到最低,哈希表的效率就特别的高。


来看一下 HashMap 的哈希算法:


static final int hash(Object key) {
    int h;
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}



先调用对象的 hashCode() 方法,然后对该值进行右移运算,然后再进行异或运算。


通常来说,String 会用来作为 HashMap 的键进行哈希运算,因此我们再来看一下 String 的 hashCode() 方法:


public int hashCode() {
    int h = hash;
    if (h == 0 && value.length > 0) {
        hash = h = isLatin1() ? StringLatin1.hashCode(value)
                : StringUTF16.hashCode(value);
    }
    return h;
}
public static int hashCode(byte[] value) {
    int h = 0;
    int length = value.length >> 1;
    for (int i = 0; i < length; i++) {
        h = 31 * h + getChar(value, i);
    }
    return h;
}



可想而知,经过这么一系列复杂的运算,再加上 JDK 作者这种大师级别的设计,哈希冲突的概率我相信已经降到了最低。


当然了,从理论上来说,对于两个不同对象,它们通过 hashCode() 方法计算后的值可能相同。因此,不能使用 hashCode() 方法来判断两个对象是否相等,必须得通过 equals() 方法。


也就是说:


如果两个对象调用 equals() 方法得到的结果为 true,调用 hashCode() 方法得到的结果必定相等;

如果两个对象调用 hashCode() 方法得到的结果不相等,调用 equals() 方法得到的结果必定为 false;

反之:


如果两个对象调用 equals() 方法得到的结果为 false,调用 hashCode() 方法得到的结果不一定不相等;

如果两个对象调用 hashCode() 方法得到的结果相等,调用 equals() 方法得到的结果不一定为 true;

来看下面这段代码。


public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Student s1 = new Student(18, "张三");
        Map<Student, Integer> scores = new HashMap<>();
        scores.put(s1, 98);
        System.out.println(scores.get(new Student(18, "张三")));
    }
}
 class Student {
    private int age;
    private String name;
     public Student(int age, String name) {
         this.age = age;
         this.name = name;
     }
     @Override
     public boolean equals(Object o) {
         Student student = (Student) o;
         return age == student.age &&
                 Objects.equals(name, student.name);
     }
 }
1



我们重写了 Student 类的 equals() 方法,如果两个学生的年纪和姓名相同,我们就认为是同一个学生,虽然很离谱,但我们就是这么草率。


在 main() 方法中,18 岁的张三考试得了 98 分,很不错的成绩,我们把张三和成绩放到了 HashMap 中,然后准备输出张三的成绩:


null


很不巧,结果为 null,而不是预期当中的 98。这是为什么呢?


原因就在于重写 equals() 方法的时候没有重写 hashCode() 方法。默认情况下,hashCode() 方法是一个本地方法,会返回对象的存储地址,显然 put() 中的 s1 和 get() 中的 new Student(18, "张三") 是两个对象,它们的存储地址肯定是不同的。


HashMap 的 get() 方法会调用 hash(key.hashCode()) 计算对象的哈希值,虽然两个不同的 hashCode() 结果经过 hash() 方法计算后有可能得到相同的结果,但这种概率微乎其微,所以就导致 scores.get(new Student(18, "张三")) 无法得到预期的值 18。


怎么解决这个问题呢?很简单,重写 hashCode() 方法。


@Override

public int hashCode() {

    return Objects.hash(age, name);

}


Objects 类的 hash() 方法可以针对不同数量的参数生成新的 hashCode() 值。


public static int hashCode(Object a[]) {
 if (a == null)
     return 0;
 int result = 1;
 for (Object element : a)
     result = 31 * result + (element == null ? 0 : element.hashCode());
 return result;
}


代码似乎很简单,归纳出的数学公式如下所示(n 为字符串长度)。


image.png


注意:31 是个奇质数,不大不小,一般质数都非常适合哈希计算,偶数相当于移位运算,容易溢出,造成数据信息丢失。


这就意味着年纪和姓名相同的情况下,会得到相同的哈希值。scores.get(new Student(18, "张三")) 就会返回 98 的预期值了。


《Java 编程思想》这本圣经中有一段话,对 hashCode() 方法进行了一段描述。


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() 都应该生成同样的值。如果在将一个对象用 put() 方法添加进 HashMap 时产生一个 hashCode() 值,而用 get() 方法取出时却产生了另外一个 hashCode() 值,那么就无法重新取得该对象了。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() 就会生成一个不同的哈希值,相当于产生了一个不同的键。

也就是说,如果在重写 hashCode() 和 equals() 方法时,对象中某个字段容易发生改变,那么最好舍弃这些字段,以免产生不可预期的结果。


好。有了上面这些内容作为基础后,我们回头再来看看本地方法 hashCode() 的 C++ 源码。


static inline intptr_t get_next_hash(Thread* current, oop obj) {
  intptr_t value = 0;
  if (hashCode == 0) {
    // This form uses global Park-Miller RNG.
    // On MP system we'll have lots of RW access to a global, so the
    // mechanism induces lots of coherency traffic.
    value = os::random();
  } else if (hashCode == 1) {
    // This variation has the property of being stable (idempotent)
    // between STW operations.  This can be useful in some of the 1-0
    // synchronization schemes.
    intptr_t addr_bits = cast_from_oop<intptr_t>(obj) >> 3;
    value = addr_bits ^ (addr_bits >> 5) ^ GVars.stw_random;
  } else if (hashCode == 2) {
    value = 1;            // for sensitivity testing
  } else if (hashCode == 3) {
    value = ++GVars.hc_sequence;
  } else if (hashCode == 4) {
    value = cast_from_oop<intptr_t>(obj);
  } else {
    // Marsaglia's xor-shift scheme with thread-specific state
    // This is probably the best overall implementation -- we'll
    // likely make this the default in future releases.
    unsigned t = current->_hashStateX;
    t ^= (t << 11);
    current->_hashStateX = current->_hashStateY;
    current->_hashStateY = current->_hashStateZ;
    current->_hashStateZ = current->_hashStateW;
    unsigned v = current->_hashStateW;
    v = (v ^ (v >> 19)) ^ (t ^ (t >> 8));
    current->_hashStateW = v;
    value = v;
  }
  value &= markWord::hash_mask;
  if (value == 0) value = 0xBAD;
  assert(value != markWord::no_hash, "invariant");
  return value;
}



如果没有 C++ 基础的话,不用细致去看每一行代码,我们只通过表面去了解一下 get_next_hash() 这个方法就行。其中的 hashCode 变量是 JVM 启动时的一个全局参数,可以通过它来切换哈希值的生成策略。


hashCode==0,调用操作系统 OS 的 random() 方法返回随机数。

hashCode == 1,在 STW(stop-the-world)操作中,这种策略通常用于同步方案中。利用对象地址进行计算,使用不经常更新的随机数(GVars.stw_random)参与其中。

hashCode == 2,使用返回 1,用于某些情况下的测试。

hashCode == 3,从 0 开始计算哈希值,不是线程安全的,多个线程可能会得到相同的哈希值。

hashCode == 4,与创建对象的内存位置有关,原样输出。

hashCode == 5,默认值,支持多线程,使用了 Marsaglia 的 xor-shift 算法产生伪随机数。所谓的 xor-shift 算法,简单来说,看起来就是一个移位寄存器,每次移入的位由寄存器中若干位取异或生成。所谓的伪随机数,不是完全随机的,但是真随机生成比较困难,所以只要能通过一定的随机数统计检测,就可以当作真随机数来使用。

至于更深层次的挖掘,涉及到数学知识和物理知识,就不展开了。毕竟菜是原罪。


叨逼叨


二哥在 CSDN 上写了很多 Java 方面的系列文章,有 Java 核心语法、Java 集合框架、Java IO、Java 并发编程、Java 虚拟机等,也算是体系完整了。



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