Как устроена и организована структура данных HashMap в Java?

HashMap в Java основан на принципах хеширования. Он хранит пары "ключ-значение".

Внутреннее устройство:

• Массив бакетов (емкостей). Каждый бакет — это связный список (или дерево, начиная с Java 8, при большом количестве коллизий).
• При добавлении элемента (put):
  1. Вычисляется хеш-код ключа (key.hashCode()).
  2. Хеш-код модифицируется для лучшего распределения (hash).
  3. Используя модифицированный хеш и размер массива бакетов, вычисляется индекс бакета, куда будет помещен элемент (хеш & (размер_массива - 1)).
  4. Элемент (пара "ключ-значение" в виде объекта Node) помещается в этот бакет. Если бакет уже содержит элементы, новый элемент добавляется в начало связного списка или дерева.
  5. При добавлении проверяется наличие ключа: используется метод equals() для сравнения ключей внутри бакета. Если ключ найден, значение обновляется.
• При получении элемента (get):
  1. Так же вычисляется индекс бакета по ключу.
  2. Внутри бакета происходит поиск элемента по ключу, используя методы hashCode() и equals().
  3. Возвращается связанное значение.

Организация:

• Коллизии: Если несколько ключей имеют одинаковый хеш-код и попадают в один бакет, элементы хранятся в виде связного списка. С Java 8 при количестве элементов в бакете, превышающем порог (обычно 8), связный список преобразуется в дерево для более быстрого поиска (O(log n) вместо O(n)).
• Ресайзинг: Когда количество элементов превышает "порог загрузки" (load factor * capacity), HashMap увеличивает размер внутреннего массива бакетов (обычно вдвое) и перехеширует все элементы. Это дорогая операция (O(n)).
• Параметры:
  • capacity: Начальный размер массива бакетов (по умолчанию 16).
  • load factor: Порог загрузки (по умолчанию 0.75). Определяет, когда произойдет ресайзинг.

Почему важны hashCode() и equals():

• Корректная работа HashMap зависит от правильной реализации этих методов.
• Если equals() возвращает true для двух объектов, то и hashCode() должен возвращать одинаковое значение.
• Неправильная реализация может привести к тому, что элементы не будут найдены (get вернет null), даже если они были добавлены.

Пример структуры Node:

java

HashMap обеспечивает быстрое (в среднем O(1)) добавление, получение и удаление элементов при равномерном распределении хешей. В худшем случае (сильные коллизии) операция может стать O(n) или O(log n) с деревьями.

Не потокобезопасен. Для потокобезопасного использования следует использовать ConcurrentHashMap или Collections.synchronizedMap(new HashMap<...>(...)).