Java 中 hashCode() 與 equals() 的關係(面試)

2022-09-28 14:01:02

一.基礎：hashCode() 和 equals() 簡介

在學習 hashCode() 和 equals() 之間的關係之前, 我們有必要先單獨地瞭解他倆的特點.

equals()

equals() 方法用於比較兩個物件是否相等，它與 == 相等比較符有著本質的不同。

在萬物皆物件的 Java 體系中，系統把判斷物件是否相等的權力交給程式設計師。具體的措施是把 equals() 方法寫到 Object 類中，並讓所有類繼承 Object 類。這樣程式設計師就能在自定義的類中重寫 equals() 方法, 從而實現自己的比較邏輯。

hashCode()

hashCode() 的意思是雜湊值, 雜湊值是經雜湊函數運算後得到的結果，雜湊函數能夠保證相同的輸入能夠得到相同的輸出(雜湊值)，但是不能夠保證不同的輸入總是能得出不同的輸出。

當輸入的樣本量足夠大時，是會產生雜湊衝突的，也就是說不同的輸入產生了相同的輸出。

暫且不談衝突，就相同的輸入能夠產生相同的輸出這點而言，是及其寶貴的。它使得系統只需要通過簡單的運算，在時間複雜度O(1)的情況下就能得出資料的對映關係，根據這種特性，雜湊表應運而生。

一種主流的雜湊表實現是：用陣列作為雜湊函數的輸出域，輸入值經過雜湊函數計算後得到雜湊值。然後根據雜湊值，在陣列種找到對應的儲存單元。當發生衝突時，對應的儲存單元以連結串列的形式儲存衝突的資料。

二. 漫談：初識 hashCode() 與 equals() 之間的關係

下面我們從一個宏觀的角度討論 hashCode() 和 equals() 之間的關係。

在大多數程式設計實踐中，歸根結底會落實到資料的存取問題上。在組合語言時代，你需要老老實實地對每個資料操作編寫存取語句。

而隨著時代發展到今天，我們都用更方便靈活的高階語言編寫程式碼，比如 Java。

Java 以物件導向為核心思想，封裝了一系列運算元據的 api，降低了資料操作的複雜度。

但在我們對資料進行操作之前，首先要把資料按照一定的資料結構儲存到儲存單元中，否則運算元據將無從談起。

然而不同的資料結構有各自的特點，我們在儲存資料的時候需要選擇合適的資料結構進行儲存。Java 根據不同的資料結構提供了豐富的容器類，方便程式設計師選擇適合業務的容器類進行開發。

通過繼承關係圖我們看到 Java 的容器類被分為 Collection 和 Map 兩大類，Collection 又可以進一步分為 List 和 Set。其中 Map 和 Set 都是不允許元素重複的，嚴格來說Map儲存的是鍵值對，它不允許重複的鍵值。

值得注意的是：Map 和 Set 的絕大多數實現類的底層都會用到雜湊表結構。

講到這裡我們提取兩個關鍵字不允許重複和雜湊表結構，回顧 hashCode() 和 equals() 的特點，你是否想到了些什麼東西呢？

三. 解密：深入理解 hashCode() 和 equals() 之間的關係

equals() 會有力不從心的時候

上面提到 Set 和 Map 不存放重複的元素（key），這些容器在儲存元素的時必須對元素做出判斷：在當前的容器中有沒有和新元素相同的元素？

你可能會想：這容易呀，直接呼叫元素物件的 equals() 方法進行比較不就行了嗎？

如果容器中的儲存的物件數量較少，這確實是個好主意，但是如果容器中存放的物件達到了一定的規模，要呼叫容器中所有物件的 equals() 方法和新元素進行比較，就不是一件容易的事情了。

就算 equals() 方法的比較邏輯簡單無比，總的來說也是一個時間複雜度為 O(n) 的操作啊。

hashCode() 小力出奇跡

但在雜湊表的基礎上，判斷“新物件是否和已存在物件相同”就容易得多了。

由於每個物件都自帶有 hashCode()，這個 hashCode 將會用作雜湊表雜湊函數的輸入，hashCode 經過雜湊函數計算後得到雜湊值，新物件會根據雜湊值，儲存到相應的記憶體的單元。

我們不妨假設兩個相同的物件，hashCode() 一定相同，這麼一來就體現出雜湊函數的威力了。

由於相同的輸入一定會產生相同的輸出，於是如果新物件，和容器中已存在的物件相同，新物件計算出的雜湊值就會和已存在的物件的雜湊值產生衝突。

這時容器就能判斷：這個新加入的元素已經存在，需要另作處理：覆蓋掉原來的元素（key）或捨棄。

按照這個思路，如果這個元素計算出的雜湊值所對應的記憶體單元沒有產生衝突，也就是沒有重複的元素，那麼它就可以直接插入。

所以當運用 hashCode() 時，判斷是否有相同元素的代價，只是一次雜湊計算，時間複雜度為O(1)，這極大地提高了資料的儲存效能。

Java 設計 equals()，hashCode() 時約定的規則

前面我們還提到：當輸入樣本量足夠大時，不相同的輸入是會產生相同輸出的，也就是形成雜湊衝突。

這麼一來就麻煩了，原來我們設定的“如果產生衝突，就意味著兩個物件相同”的規則瞬間被打破，因為產生衝突的很有可能是兩個不同的物件！

而令人欣慰的是我們除了 hashCode() 方法，還有一張王牌：equals() 方法。

也就是說當兩個不相同的物件產生雜湊衝突後，我們可以用 equals() 方法進一步判斷兩個物件是否相同。

這時 equals() 方法就相當重要了，這個情況下它必須要能判定這兩個物件是不相同的。

講到這裡就引出了 Java 程式設計中一個重要原則：

如果兩個物件是相等的，它們的 equals() 方法應該要返回 true，它們的 hashCode() 需要返回相同的結果。

但有時候面試不會問得這麼直接，他會問你：兩個物件的 hashCdoe() 相同，它的 equals() 方法一定要返回 true，對嗎？

那答案肯定不對。因為我們不能保證每個程式設計者，都會遵循編碼約定。

有可能兩個不同物件的hashCode()會返回相同的結果，但是由於他們是不同的物件，他們的 equals() 方法會返回false。

如果你理解上面的內容，這個問題就很好解答，我們再回顧一下：

如果兩個物件的 hashCode() 相同，將來就會在雜湊表中產生雜湊衝突，但是它們不一定是相同的物件呀。

當產生雜湊衝突時，我們還得通過 equals() 方法進一步判斷兩個物件是否相同，equals() 方法不一定會返回 true。

這也是為什麼 Java 官方推薦我們在一個類中，最好同時重寫 hashCode() 和 equals() 方法的原因。

四. 驗證：結合 HashMap 的原始碼和官方檔案，驗證兩者的關係

以上的文字，是我經過思考後得出的，它有一定依據但並非完全可靠。下面我們根據 HashMap 的原始碼（JDK1.8）和官方檔案，來驗證這些推論是否正確。

通過閱讀JDK8的官方檔案，我們發現 equals() 方法介紹的最後有這麼一段話：

Note that it is generally necessary to override the hashCode method whenever this method is overridden, so as to maintain the general contract for the hashCode method, which states that equal objects must have equal hash codes.

官方檔案提醒我們當重寫 equals() 方法的時候，最好也要重寫 hashCode() 方法。

也就是說如果我們通過重寫 equals() 方法判斷兩個物件相同時，他們的hash code也應該相同，這樣才能讓hashCode()方法發揮它的作用。

那它究竟能發會怎樣的作用呢？

我們結合部分較為常用的 HashMap 原始碼進一步分析。（像 HashSet 底層也是通過 HashMap 實現的）

在 HashMap 中用得最多無疑是 put() 方法了，以下是put()的原始碼：

public V put(K key, V value) {
    return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}

我們可以看到 put() 方法實際呼叫的是 putVal() 方法，繼續跟進：

    final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
               boolean evict) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
    //在我們建立HashMap物件的時候, 記憶體中並沒有為HashMap分配表的空間, 直到往HashMap中put新增元素的時候才呼叫resize()方法初始化表
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        n = (tab = resize()).length;//同時確定了表的長度

    //((n - 1) & hash)確定了要put的元素的位置, 如果要插入的地方是空的, 就可以直接插入.
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    else {//如果發生了衝突, 就要在衝突位置的連結串列末尾插入元素
        Node<K,V> e; K k;
        if (p.hash == hash &&   
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            //關鍵!!!當判斷新加入的元素是否與已有的元素相同, 首先判斷的是hash值, 後面再呼叫equals()方法. 如果hash值不同是直接跳過的
            e = p;
        else if (p instanceof TreeNode)//如果衝突解決方案已經變成紅黑樹的話, 按紅黑樹的策略新增結點. 
            e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
        else {//解決衝突的方式仍是連結串列
            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {//找到連結串列的末尾, 插入.
                if ((e = p.next) == null) {
                    p.next = newNode(hash, key, value, null);
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                        treeifyBin(tab, hash);//插入之後要判斷連結串列的長度, 如果到達一定的值就可能要轉換為紅黑樹. 
                    break;
                }//在遍歷的過程中仍會不停地判定當前key是否與傳入的key相同, 判斷的第一條件仍然是hash值. 
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    break;
                p = e;
            }
        }
        if (e != null) { // existing mapping for key
            V oldValue = e.value;
            if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                e.value = value;
            afterNodeAccess(e);
            return oldValue;
        }
    }
    ++modCount;//修改map的次數增加
    if (++size > threshold)//如果hashMap的容量到達了一定值就要進行擴容
        resize();
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}

我們可以看到每當判斷 key 是否相同時，首先會判斷 hash 值，如果 hash 值相同（產生了衝突），然後會判斷 key 參照所指的物件是否相同，最終會通過 equals() 方法作最後的判定。

如果 key 的 hash 值不同，後面的判斷將不會執行，直接認定兩個物件不相同。

if (p.hash == hash &&
    ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
    e = p;

五. 結束

講到這裡希望大家對 hashCode() 與 equals() 方法能有更深入的理解，明白背後的設計思想與原理。

我之前有一個疑問，可能大家看完這篇文章後也會有：equals() 方法平時我會用到，所以我知道它除了和 hashCode() 方法有密切聯絡外，還有別的用途。

但是hashCode()呢？它除了和equals()方法有密切聯絡外，還有其他用途嗎？經過在網際網路上一番搜尋，我目前給出的答案是沒有。也就是說 hashCode() 僅在雜湊表中才有用，在其它情況下沒用。

到此這篇關於Java 中 hashCode() 與 equals() 的關係(面試)的文章就介紹到這了,更多相關Java hashCode與equals內容請搜尋it145.com以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大家以後多多支援it145.com！