Java基础（四）—— HashCode和Equals

最新推荐文章于 2024-10-22 20:07:06 发布

aischen

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分类专栏：杂谈文章标签： java 开发语言

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本文深入探讨了hashCode与equals方法的重要性及其实现细节，包括如何遵守JDK规范避免潜在错误，以及这些方法在集合类如HashSet中的作用。

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正如标题所言，今天我们来讲讲hashCode和equals。或许有些人会奇怪了，这两个东西为什么要放在一起来讲呢？这是因为按照JDK规范：

如果两个对象根据equals方法比较是相等的，那么调用这两个对象中的hashCode方法都必须产生相同的整数结果。

所以为了遵守这个约定，就必须在重写equals时同样重写hashCode方法。如果不这样的话，就会违反该约定。

违反约定的后果

如果违反了这个约定，会出现什么后果呢？我们来一起探讨一下。最简单的一个分析，如果这种违反了约定的对象插入到HashSet中会怎么样呢？

首先，我们应该知道，HashSet的底层实现是使用的HashMap。代码如下：

public class HashSet<E>
    extends AbstractSet<E>
    implements Set<E>, Cloneable, java.io.Serializable
{
    static final long serialVersionUID = -5024744406713321676L;

    private transient HashMap<E,Object> map;

 	private static final Object PRESENT = new Object();

    public HashSet() {
        map = new HashMap<>();
    }

    public HashSet(Collection<? extends E> c) {
        map = new HashMap<>(Math.max((int) (c.size()/.75f) + 1, 16));
        addAll(c);
    }
    
    public boolean add(E e) {
        return map.put(e, PRESENT)==null;
    }
    
    public boolean remove(Object o) {
        return map.remove(o)==PRESENT;
    }

    // 略
}

从源码中可以看出，在构造HashSet时会初始化内部的map对象，然后add和remove等对set的操作其实就是对内部map的操作。add的对象会作为map的key，PRESENT这个Object的对象会作为map的value，这两者作为一个键值对put到map中。

那么问题来了，HashMap的put流程是怎么样的呢？这里我先简要说下：主要是根据key的hash值算到对应的槽，如果对应槽位有值，则比较槽位值的key与插入key是否相等(hashCode，==，equals都为true)，如果为true的则槽位的值会被覆盖，否则遍历判断该槽位下的链表，如果都不相等则链表链接新值。主要流程图如下：

到这里其实我们就能了解到几点：

HashSet去重用的是HashMap的key如果相等会覆盖value的特性，而相等首先是hash之后会进入同一个槽，然后再通过hashCode和equals等判断是否为true，这才保证是相等的。
如果HashSet的add的对象equals为true，但是hashCode不是相等的值，那么就可能会出现add第二个值时，导致第二个对象也被HashMap存储，以至于HashSet的去重特性被打破。

可以使用以下代码验证：

@AllArgsConstructor
public class HashEqualsTest {

    private String name;

    private Integer age;

    @Override
    public boolean equals(Object o) {
        if (this == o) return true;
        if (!(o instanceof HashEqualsTest)) return false;
        HashEqualsTest that = (HashEqualsTest) o;
        return name.equals(that.name) && age.equals(that.age);
    }

    public static void main(String[] args) {

        HashEqualsTest a = new HashEqualsTest("aischen", 3);
        HashEqualsTest b = new HashEqualsTest("aischen", 3);
        System.out.println(a.equals(b));

        Set<HashEqualsTest> set = new HashSet<>();
        set.add(a);
        set.add(b);
        System.out.println(set);
    }
}

输出结果：

true

[org.aischen.HashEqualsTest@5b2133b1, org.aischen.HashEqualsTest@77459877]

可以看到，结果确实如我们所料，因为违反了hashCode和equals的约定，所以HashSet可以插入多个相互之间equals为true的对象，那这种对象的到底算不算重复对象，就见仁见智了。就实际业务上来说，这种对象是算重复对象的，毕竟相同名字，相同身份证号的两条数据，不能就算是两个人吧。

hashCode一些特性

我们已经知道hashCode一般是用于散列寻址和前置判断使用，那么hashCode可以随意生成吗？怎么生成比较好呢？

还是以HashMap举例，如果我们的hashCode生成算法不够优雅，生成的hashCode值碰撞概率高，以极端情况来看，hash之后所有的元素全部在一个hash槽中，那就完全成了一个链表或者红黑树了。所有的查询都得基于链表和红黑树来查。而纯以计算来说，逻辑越多，计算越多，那效率必然就越低，所以经过了那么多前置的计算和判断之后还是用链表的数据结构，那相对于单纯使用链表效率必然是比不上的。

我们来看这样一段代码：

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;
}

这其实是JDK中的Objects.hashCode方法，具体逻辑就不讲了，很直观。

首先说明下为什么需要使用乘法。有乘法的话，就使得散列值依赖于传入参数的顺序，如果一个类包含了多个相似的域，这样的乘法运算就会产生一个更好区分的散列值。

其次为什么要选择31这样的数。引用自Effective Java：

之所以选择31，是因为它是一个奇素数。如果乘法是偶数，并且乘法溢出的话，信息就会丢失，因为与2相乘等价于移位运算。使用素数的好处并不是很明显，但是习惯上都使用素数来计算散列结果。31有个很好的特性，即使用移位和减法来代替乘法，可以得到更好的性能：31×i==(i<<5) - 1。现代的虚拟机可以自动完成这种优化。

如此，我们知道，选择31的原因主要还是性能。不过实际上我们使用时，也只需要调用Objects.hashCode的方法即可，无需再重复造轮子。

平常对象或者String的hashCode都是一些比较长的数字。但是Integer或者Short等这种整型的类，他们的hashCode就等于他们的value，这点在实际使用时可以注意下。

equals一些特性

我们已经知道，equals是用来比较对象是否相等的一个函数，如果没有重写的话，那默认是使用"=="。而我们常用的一些类其实JDK的开发人员已经帮我们重写过了，比如String，比如Integer。

在重写equals方法时，必须要遵守它的通用约定。下面是约定的内容，来自Object的规范：

自反性：对于任何非null的引用值x，x.equals(x)必须返回true。
对称性：对于任何非null的引用值x和y，当且仅当y.equals(x)返回true时，x.equals(y)必须返回true。
传递性：对于任何非null的引用值x、y和z，如果x.equals(y)返回true，并且y.equals(z)也返回true，那么x.equals(z)也必须返回true。
一致性：对于任何非null的引用值x和y，只要equals的比较操作在对象中所用的信息没有被修改，多次调用x.equals(y)就会一致的返回true或者一致的返回false。
对于任何非null的引用值x，x.equals(null)时必须返回false。

约定看起来很多，也好像很复杂的样子，但是却是我们必须遵守的一些约定，否则就可能会导致系统出现非常严重的后果，甚至崩溃，而且你很难找到根源。John Donne说过：没有哪个类是孤立的，一个类的实例通常会被频繁的传递给另一个类的实例。

不过这些约定虽然看起来比较复杂，但实际上并非如此，一旦理解了，遵守它们也并不困难。

自反性

很难想象会怎么无意识违反这一约定。假如违背这一条的话，那么把类加到集合实例中，再调用集合的contains方法时将返回false，告诉你该集合不包含刚刚添加的实例。

对称性

这个要求是说，任何两个对象对于"它们是否相等"的问题都必须保持一致。这种违反的情况其实不难想象。一般是用于equals不同的类导致的。比如有段代码如下：

public class IgnoreCaseString {

    private final String s;

    public IgnoreCaseString(String s) {
        this.s = Objects.requireNonNull(s);
    }

    @Override
    public boolean equals(Object o) {
        if (this == o) return true;
        if (o instanceof IgnoreCaseString)
            return s.equalsIgnoreCase(((IgnoreCaseString) o).s);
        if (o instanceof String)
            return s.equalsIgnoreCase((String) o);
        return false;
    }
}

这个意图很明显，是想能和普通的字符串进行互操作。但是这样会明显的违反对称性：

    public static void main(String[] args) {
        String s = "aTad";
        IgnoreCaseString ics = new IgnoreCaseString("atad") ;
        System.out.println(ics.equals(s));
        System.out.println(s.equals(ics));
    }

结果不出所料：第一个返回true，第二个返回false

true

false

传递性

这点是要求我们在第一个对象等于第二个对象，第二个对象等于第三个对象时，第一个对象一定等于第三个对象。这个要求无意识违反的话也是不难想象的，比如类继承的的情况下，扩展了属性，那么需不需要将扩展属性也加入到比较中呢？

如果不加的话那么显然是不会违反equals约定的，但是新加的信息被比较时忽略掉也是无法接受的。那么就需要将扩展信息加入到比较中。此时就会出现对称性问题。

例如这两个类：

public class Point {

    private int x;

    private int y;

    public Point(int x, int y) {
        this.x = x;
        this.y = y;
    }

    @Override
    public boolean equals(Object o) {
        if (this == o) return true;
        if (!(o instanceof Point)) return false;
        Point point = (Point) o;
        return x == point.x && y == point.y;
    }
}

class Point3D extends Point {

    private int z;

    public Point3D(int x, int y, int z) {
        super(x, y);
        this.z = z;
    }

    @Override
    public boolean equals(Object o) {
        if (this == o) return true;
        if (!(o instanceof Point3D)) return o.equals(this);
        if (!super.equals(o)) return false;
        Point3D point3D = (Point3D) o;
        return z == point3D.z;
    }
}

这两个类的equals都是很常见的通过ide生成的。但是很明显它们违反了对称性。如果要解决该问题也很简单，将代码if (!(o instanceof Point3D)) return false;调整为if (!(o instanceof Point3D)) return o.equals(this); 即可。但是这样虽然可以保证对称性，但是确违反了传递性。

事实上，这种解法还有可能导致无限递归问题，假设Point有两个子类，且它们各自都带有一个equals方法，那么两个子类对象之间的equals将导致它们互相调用对方的equals方法，然后将抛出StackOverflowError。

事实上，这种问题是无解的。我们无法在扩展可实例化的类的同时，既增加新的值组件，同时又保留equals约定，除非愿意放弃面向对象的抽象所带来的优势。

一致性

这个要求是，如果两个对象相等，它们就必须始终保持相等，除非它们中有一个对象发生了变更。

无论类是否可变，都不要使equals依赖于不可靠的资源。如果违反了这一原则，要想满足一致性就十分困难了，例如JDK中的URL类，因为它的equals是依赖于IP地址的比较，而IP又是需要访问网络的，随着时间的推移，就不能确保会产生相同的结果。遗憾的是，因为兼容性要求，这一行为无法被改变。为了避免这种问题，equals方法应该对驻留在内存中的对象执行确定性的计算。

最后再留下几个告诫：

重写equals时需要重写hashCode
不要企图让equals方法过于智能。
不要将equals声明中的Object替换成别的类，否则就不是重写equals方法而是重载了。

写在最后

到此我们的分享就告一段落了，虽然篇幅不算短，但是总感觉还有很多东西其实是没有说清楚了，只是说的很粗略，很大概。可能也是因为我最近实在是太忙了，每天都要到凌晨到家，只有周天的这一点点时间可以挪出来写点东西，但是又因为太累需要补血，以至于都不能保证一整天的时间有输出。另外就是也忙得连书都没法看了，希望过了这段忙碌期能够好起来，上周又欠了一片文章，到现在算下来的话已经欠了两篇的。只能在后面找时间给补上了。

最后，希望大家能好好学习，天天向上～