Java中哈希冲突与扩容机制

原创于 2025-02-19 18:06:58 发布 · 675 阅读

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一、哈希冲突

1. 什么是哈希冲突

在 Java 中，当使用哈希表（如 HashMap、HashSet 等）存储数据时，会通过哈希函数计算键（Key）的哈希值，然后根据这个哈希值来确定数据在哈希表中的存储位置。哈希冲突指的是，不同的键通过哈希函数计算后得到了相同的哈希值，从而映射到了哈希表中的同一个位置。

2. 产生哈希冲突的原因

哈希函数通常是将一个大范围的输入映射到一个相对小范围的输出，而输入的可能性远远多于输出的可能性，所以不可避免地会出现多个不同输入对应同一个输出的情况，也就是哈希冲突。例如，在 HashMap 中，哈希表的初始容量是有限的，当存储的数据增多时，发生哈希冲突的概率就会增加。

3. 解决哈希冲突的常见方法

3.1 链地址法（拉链法）

Java 中的 HashMap 就是使用链地址法来解决哈希冲突的。当发生哈希冲突时，会在哈希表的同一个位置形成一个链表（JDK 8 及以后，当链表长度超过 8 且数组长度大于 64 时，链表会转换为红黑树），将冲突的元素依次添加到链表中。查找元素时，先通过哈希值找到对应的链表，然后在链表中依次查找目标元素。

以下是一个简单的链地址法示例代码：

import java.util.LinkedList;

class HashTable {
    private LinkedList<Integer>[] table;
    private int size;

    public HashTable(int size) {
        this.size = size;
        table = new LinkedList[size];
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            table[i] = new LinkedList<>();
        }
    }

    private int hash(int key) {
        return key % size;
    }

    public void insert(int key) {
        int index = hash(key);
        table[index].add(key);
    }

    public boolean search(int key) {
        int index = hash(key);
        return table[index].contains(key);
    }
}

public class HashCollisionExample {
    public static void main(String[] args) {
        HashTable hashTable = new HashTable(5);
        hashTable.insert(1);
        hashTable.insert(6); // 与 1 发生哈希冲突
        System.out.println(hashTable.search(6)); // 输出: true
    }
}

3.2 开放地址法

开放地址法是指当发生哈希冲突时，通过一定的规则（如线性探测、二次探测等）在哈希表中寻找下一个可用的位置。例如，线性探测就是在冲突位置的基础上依次向后查找，直到找到一个空位置。

二、扩容机制

1. 为什么需要扩容

随着哈希表中存储的元素不断增加，哈希冲突的概率也会越来越高，这会导致哈希表的性能下降，查找、插入和删除操作的时间复杂度可能会接近 $O (n)$ 。为了保证哈希表的性能，当哈希表中的元素数量达到一定阈值时，就需要对哈希表进行扩容。

2. `HashMap` 的扩容机制

2.1 扩容的触发条件

在 HashMap 中，有两个重要的参数：容量（capacity）和负载因子（loadFactor）。容量指的是哈希表中数组的长度，负载因子是一个介于 0 到 1 之间的浮点数，默认值为 0.75。当哈希表中的元素数量（size）超过 capacity * loadFactor 时，就会触发扩容操作。

2.2 扩容的过程

创建新数组：将原数组的容量扩大为原来的 2 倍。
重新哈希：遍历原数组中的每个元素，重新计算它们在新数组中的位置，并将元素插入到新数组中。

以下是 HashMap 扩容的简单示例代码（模拟部分原理）：

import java.util.HashMap;

public class HashMapResizeExample {
    public static void main(String[] args) {
        HashMap<Integer, String> map = new HashMap<>(2);
        map.put(1, "apple");
        map.put(2, "banana");
        map.put(3, "cherry"); // 触发扩容
        System.out.println(map.size()); // 输出: 3
    }
}