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Guava学习之HashBiMap

  HashBiMap存储的键和值都只能唯一,不存在键与键、值与值相同的情况(详细分析见我博客:Guava学习之BiMap)。HashBiMap类继承了AbstractMap类并实现了BiMap接口,其类继承关系如下图所示:


  AbstractMap类实现了Map接口定义的一些方法,而BiMap类定义了其子类需要实现的一些方法,使得所有实现BiMap的类必须符合其独有的特性:键、值都是唯一的。HashBiMap类中主要有以下几个成员变量:

    private static final double LOAD_FACTOR = 1.0;
    private transient BiEntry<K, V>[] hashTableKToV;
    private transient BiEntry<K, V>[] hashTableVToK;
    private transient int size;
    private transient int mask;
    private transient int modCount;

  LOAD_FACTOR是承载因子,这里等于1,而我们熟悉的HashMap承载因子为0.75。LOAD_FACTOR关系到当容器中元素的个数达到了总容量的多少就得分配新的空间。hashTableKToV和hashTableVToK分别存储类型为BiEntry的键值对,都是存储键->值对的,但是目的不一样。size是HashBiMap中元素的个数;mask在求元素的hash值有用。HashBiMap类提供了以下三个静态函数来构造一个HashBiMap:

    public static <K, V> HashBiMap<K, V> create() {
        return create(16);
    }
 
    public static <K, V> HashBiMap<K, V> create(int expectedSize) {
        return new HashBiMap<K, V>(expectedSize);
    }
 
    public static <K, V> HashBiMap<K, V> create(Map<? extends K, ? extends V> map) {
        HashBiMap<K, V> bimap = create(map.size());
        bimap.putAll(map);
        return bimap;
    }

HashBiMap默认容量为16,当用户自己决定容器大小(expectedSize)的时候,它是利用以下算法来分配容量的:

   private HashBiMap(int expectedSize) {
        init(expectedSize);
    }
 
    private void init(int expectedSize) {
        checkArgument(expectedSize >= 0, "expectedSize must be >= 0 but was %s", expectedSize);
        int tableSize = Hashing.closedTableSize(expectedSize, LOAD_FACTOR);
        this.hashTableKToV = createTable(tableSize);
        this.hashTableVToK = createTable(tableSize);
        this.mask = tableSize - 1;
        this.modCount = 0;
        this.size = 0;
    }
 
  static int closedTableSize(int expectedEntries, double loadFactor) {
    // Get the recommended table size.
    // Round down to the nearest power of 2.
    expectedEntries = Math.max(expectedEntries, 2);
    int tableSize = Integer.highestOneBit(expectedEntries);
    // Check to make sure that we will not exceed the maximum load factor.
    if (expectedEntries > (int) (loadFactor * tableSize)) {
      tableSize <<= 1;
      return (tableSize > 0) ? tableSize : MAX_TABLE_SIZE;
    }
    return tableSize;
  }
 
    public static int highestOneBit(int i) {
        // HD, Figure 3-1
        i |= (i >>  1);
        i |= (i >>  2);
        i |= (i >>  4);
        i |= (i >>  8);
        i |= (i >> 16);
        return i - (i >>> 1);
    }

  可以看出,算法分配的容量一定是2的幂数。从内部实现,可以知道,HashBiMap是利用hashTableKToV和hashTableVToK数组作为hash映射的,利用key求得的Hash值是映射到hashTableKToV数组中的,而利用value求得的hash值是映射到hashTableVToK数组中的,为什么需要两个数组分别映射key和value呢?因为BiMap可以将键值反转,也就是键变成值,值变成键。利用下面的结构就方便了这样的操作,如下图所示:

HashBiMap结构

HashBiMap结构


  其中方框是hash的桶,用于hash映射,同时也可以存储元素;而圆点代表的是节点,里面存储的是BiEntry类型的键值对,也就是HashBiMap的数据,元素与元素之间是通过指针链接的,同一Hash值的元素按照元素出现的先后顺序映射到同一个桶中。而且hashTableKToV和hashTableVToK数组中的元素个数、类型以及数据一定是一致的,只是映射的地方不一致,因为分别以key和velue做影射的。最后一个节点指向的元素为null,这样方便算法中循环终止的判断。
下面介绍了HashBiMap插入元素的实现步骤:
  假如有entry6元素(下图中的蓝色圆圈)需要插入到HaspBiMap中:
HashBiMap

HashBiMap

  首先,我们需要求得entry6的key的hash值,假如entry6元素key求得的hash值为4,这样就需要将它插入到hashTableKToV下标为4的地方,算法如下:

        int keyBucket = entry.keyHash & mask;
        entry.nextInKToVBucket = hashTableKToV[keyBucket];
        hashTableKToV[keyBucket] = entry;

具体过程见下:

HashBiMap插入元素

HashBiMap插入元素


HashBiMap插入元素

HashBiMap插入元素


  插完之后的图如上图所示,这样就完成了利用key求hash值然后插入到hashTableKToV中的实现,其实我们还需要求按照value求hash然后将entry6插入到hashTableVToK相应位置上去,不过实现算法和这个一样,就不说了。元素的删除也和这个类似,就不做介绍了。
  需要注意:插入元素到hashTableKToV中,就会发生容量溢出的问题,HashBiMap是利用下面算法实现的:
  1、判断HashBiMap容器中元素的个数是否大于承载因子乘以hashTableKToV的大小,也即size > loadFactor * tableSize && tableSize < MAX_TABLE_SIZE;   2、如果是,就将当前hashTableKToV和hashTableVToK的大小扩大为tableSize * 2,之后将原来hashTableKToV和hashTableVToK中的元素分别按照新的数组大小再一次映射到扩容后的hashTableKToV和hashTableVToK中去。实现代码如下:
    private void rehashIfNecessary() {
        BiEntry<K, V>[] oldKToV = hashTableKToV;
        if (Hashing.needsResizing(size, oldKToV.length, LOAD_FACTOR)) {
            int newTableSize = oldKToV.length * 2;

            this.hashTableKToV = createTable(newTableSize);
            this.hashTableVToK = createTable(newTableSize);
            this.mask = newTableSize - 1;
            this.size = 0;

            for (int bucket = 0; bucket < oldKToV.length; bucket++) {
                BiEntry<K, V> entry = oldKToV[bucket];
                while (entry != null) {
                    BiEntry<K, V> nextEntry = entry.nextInKToVBucket;
                    insert(entry);
                    entry = nextEntry;
                }
            }
            this.modCount++;
        }
    }

    static boolean needsResizing(int size, int tableSize, double loadFactor) {
        return size > loadFactor * tableSize && tableSize < MAX_TABLE_SIZE;
    }

  这些操作对应外面的用户是完全透明的,完全不需要用户知道。当然,如果你事先知道需要放入HashBiMap中的元素个数,最好利用create(int expectedSize)来构造一个HaspBiMap,这样可以减少重新分配容量带来的开销。(完)

本博客文章除特别声明,全部都是原创!
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本文链接: 【Guava学习之HashBiMap】(https://www.iteblog.com/archives/704.html)
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