深入理解 Java 中的 hashCode

article/2025/9/30 4:24:57

深入理解 Java 中的 hashCode

  • 一、hashCode 方法
  • 二、为什么重写 equals 方法的时候必须重写 hashCode 方法？

一、hashCode 方法

Java 是一门面向对象的编程语言，所有的类都会默认继承自 Object 类，Object 类中就包含了 hashCode() 方法：

// Java 1.8
public native int hashCode();// Java 9
@HotSpotIntrinsicCandidate
public native int hashCode();

意味着所有的类都会有一个 hashCode() 方法，该方法会返回一个 int 类型的值。由于 hashCode() 方法是一个本地方法（native 关键字修饰的方法，用 C/C++ 语言实现，由 Java 调用），意味着 Object 类中并没有给出具体的实现。

在 Java 9 中，hashCode() 方法被 @HotSpotIntrinsicCandidate 注解修饰，说明它在 HotSpot 虚拟机中有一套高效的实现，是基于 CPU 指令的。

那就有一个问题：为什么 Object 类需要一个 hashCode() 方法呢？

在 Java 中，hashCode() 方法的主要作用就是为了配合哈希表使用的。

哈希表（Hash Table），也叫散列表，是一种可以通过关键码值（key-value）直接访问的数据结构，它最大的特点就是可以快速实现查找、插入和删除。其中用到的算法叫做哈希，就是把任意长度的输入变换成固定长度的输出，该输出就是哈希值。像 Java 中的 HashSet、Hashtable、HashMap 都是给予哈希表的具体实现。其中，HashMap 就是最典型的代表。

我们可以想象一下，如果没有哈希表，但是又需要一个这样的数据结构，它里面存放的数据是不允许重复的，该怎么办呢？

显然，我们想到的方法就是使用 equals() 方法进行逐个比较，但是如果数据量异常大，采用 equals() 方法进行逐个对比的效率一定非常非常低，所以，最好的解决方案就是哈希表。

☆☆☆ 就拿 HashMap 来说，当我们要在它里面添加对象时，先调用这个对象的 hashCode() 方法得到对应的哈希值，然后将哈希值和对象一起放到 HashMap 中。当我们要再添加一个新的对象时会执行这么几个步骤：

  1. 获取对象的哈希值；
  2. 与之前已经存在的哈希值进行比较，如果不相等，直接存进去；
  3. 如果有相等的，再调用 equals() 方法进行对象之间的比较。如果相等，不存储；如果不相等，说明哈希冲突，增加一个链表存放新的对象（如果链表的长度大于 8，转为红黑树处理）。

这么一套流程下来，调用 equals() 方法的频率就大大降低了。也就是说，只要哈希算法足够的高效，把发生哈希冲突的频率降到最低，哈希表的效率就特别的高。

先来看一下 HashMap 的哈希算法：

static final int hash(Object key) {int h;return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

它会先调用对象的 hashCode() 方法，然后对该值进行右移运算，然后再进行异或运算。

通常来说，String 会用来作为 HashMap 的键进行哈希运算，所以，再来看一下 String 的 hashCode() 方法：

public int hashCode() {int h = hash;if (h == 0 && value.length > 0) {hash = h = isLatin1() ? StringLatin1.hashCode(value): StringUTF16.hashCode(value);}return h;
}public static int hashCode(byte[] value) {int h = 0;int length = value.length >> 1;for (int i = 0; i < length; i++) {h = 31 * h + getChar(value, i);}return h;
}

虽然不是特别清除具体里面做了什么操作，但是可以看出来，经过这么一系列复杂的运算，再加上这样的设计，哈希冲突的概率可能已经降到了最低了。

但是，从理论上来讲，两个不同的对象通过 hashCode() 方法计算后的值可能相同。所以，不能使用 hashCode() 方法来判断两个对象是否相等，必须要通过 equals() 方法来判断。

也就是说：

  1. 如果两个对象调用 equals() 方法得到的结果为 true，调用 hashCode() 方法得到的结果必定相等；
  2. 如果两个对象调用 hashCode() 方法得到的结果不相等，调用 equals() 方法得到的结果必定不相等。
  3. 如果两个对象调用 equals() 方法得到的结果为 false，调用 hashCode() 方法得到的结果可能相等；
  4. 如果两个对象调用 hashCode() 方法得到的结果相等，调用 equals() 方法得到的结果不一定相等。

举个例子！

不重写 equals() 方法：

/*** 员工类** @author qiaohaojie* @date 2023/3/15  22:03*/
public class Employee {private int age;private String name;public Employee(Integer age, String name) {this.age = age;this.name = name;}@Overridepublic String toString() {return super.toString().substring(18) + "{" +"age=" + age +", name='" + name + '\'' +'}';}
}

/*** Java中的hashCode方法** @author qiaohaojie* @date 2023/3/14  21:42*/
public class HashCodeTest {public static void main(String[] args) {Employee employee1 = new Employee(23,"青花椒");Employee employee2 = new Employee(23,"青花椒");System.out.println(employee1); // Employee@5a07e868{age=23, name='青花椒'}System.out.println(employee2); // Employee@76ed5528{age=23, name='青花椒'}Map<Employee, Integer> map = new HashMap<>();map.put(employee1, 99);System.out.println(map.get(employee2)); // null}
}

重写 equals() 方法：

/*** 员工类** @author qiaohaojie* @date 2023/3/15  22:03*/
public class Employee {private int age;private String name;public Employee(Integer age, String name) {this.age = age;this.name = name;}@Overridepublic String toString() {return super.toString().substring(18) + "{" +"age=" + age +", name='" + name + '\'' +'}';}@Overridepublic boolean equals(Object o) {Employee employee = (Employee) o;return age == employee.age &&Objects.equals(name, employee.name);}
}

/*** Java中的hashCode方法** @author qiaohaojie* @date 2023/3/14  21:42*/
public class HashCodeTest {public static void main(String[] args) {Employee employee1 = new Employee(23,"青花椒");Employee employee2 = new Employee(23,"青花椒");System.out.println(employee1); // Employee@5a07e868{age=23, name='青花椒'}System.out.println(employee2); // Employee@76ed5528{age=23, name='青花椒'}Map<Employee, Integer> map = new HashMap<>();map.put(employee1, 99);System.out.println(map.get(employee2)); // null}
}

显然，两个的结果是相同的（都未null）。原因就在于重写 equals() 方法的时候没有重写 hashCode() 方法，而在默认情况下，hashCode() 方法是一个本地方法，会返回对象的存储地址，而 put() 中的 employee1 和 map.get(employee2) 中的对象是两个对象，所以它们的存储地址一定是不同的。

HashMap 的 get() 方法会调用 hash(key.hashCode()) 计算对象的哈希值，虽然两个不同的 hashCode() 结果经过 hash() 方法计算后有可能得到相同的结果，但是这种概率是非常非常小的，所以就导致了 map.get(employee2) 无法得到预期值 99。

这个问题怎么解决呢？重写 hashCode() 方法：

@Override
public int hashCode() {return Objects.hash(age, name);
}

重写 hashCode() 方法后，测试结果：

/*** Java中的hashCode方法** @author qiaohaojie* @date 2023/3/14  21:42*/
public class HashCodeTest {public static void main(String[] args) {Employee employee1 = new Employee(23,"青花椒");Employee employee2 = new Employee(23,"青花椒");System.out.println(employee1); // Employee@2484ddd{age=23, name='青花椒'}System.out.println(employee2); // Employee@2484ddd{age=23, name='青花椒'}Map<Employee, Integer> map = new HashMap<>();map.put(employee1, 99);System.out.println(map.get(employee2)); // 99}
}

这样就得到了预期的结果 99。

Objects 类的 hash() 方法可以针对不同数量的参数生成新的 hashCode() 值：

// Objects 类的第127~129行
public static int hash(Object... values) {return Arrays.hashCode(values);
}// Arrays 类的第4139~4149行
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;
}

其中归纳出的数学公式如下（n为字符串长度）：
在这里插入图片描述
注意（我也不太懂，看人家是这样说的）：31 是个奇质数，不大也不小，一般质数都非常适合哈希计算，偶数相当于位移运算，容易溢出，造成数据信息丢失。

这就意味着，当 age 和 name 相同的情况下，会得到相同的哈希值。所以，map.get(employee2) 就会返回预期结果 99。

《Java 变成思想》中有这么一段话用来描述 hashCode() 方法：

设计 hashCode() 时最重要的因素就是：无论何时，对同一个对象调用 hashCode() 都应该生成同样的值。如果在将一个对象用 put() 方法添加进 HashMap 时产生一个 hashCode() 值，而用 get() 方法取出时却产生了另外一个 hashCode() 值，那么就无法重新取得该对象了。所以，如果你的 hashCode() 方法依赖于对象中易变的数据，用户就要当心了，因为此数据发生变化时，hashCode() 就会生成一个不同的哈希值，相当于产生了一个不同的键。

也就是说，如果在重写 hashCode() 和 equals() 方法时，对象中某个字段容易发生变化，那么最好舍弃这些字段，以免产生不可预期的结果。

二、为什么重写 equals 方法的时候必须重写 hashCode 方法？

上面有说过，Java 是一门面向对象的编程语言，所有的类都会默认继承自 Object 类，Object 类中就包含了这么两个方法：

public native int hashCode();public boolean equals(Object obj) {return (this == obj);
}
  1. hashCode() 方法：是一个本地方法，用来返回对象的哈希值（一个整数）。在 Java 程序执行期间，对同一个对象多次调用该方法返回相同的哈希值。
  2. equals() 方法：对于任务非空引用 x 和 y，当且仅当 x 和 y 引用的是同一个对象时，equals() 方法才返回 true。

从这些解释来看，两个方法之间好像没有任何关联，但是这两个方法的文档中海油这么两条信息：

  1. 第一，如果两个对象调用 equals() 方法返回的结果为 true，那么两个对象调用 hashCode() 方法返回的结果也必然相同。
  2. 第二，每当重写 equals() 方法时，hashCode() 方法也需要重写，以便维护上一条规约。

这是为什么呢？

hashCode() 方法的作用就是用来获取哈希值，而该哈希值的作用是用来确定对象在哈希表中的索引位置。

哈希表的典型代表就是 HashMap，它存储的是键值对，能通过 get() 方法根据键快读地检索出对应的值：

public V get(Object key) {Node<K,V> e;return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}

这是 HashMap 的 get 方法，通过键来获取值的方法。它会调用 getNode() 方法：

final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&(first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {if (first.hash == hash && // always check first node((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))return first;if ((e = first.next) != null) {if (first instanceof TreeNode)return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);do {if (e.hash == hash &&((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))return e;} while ((e = e.next) != null);}}return null;
}

通常情况下（没有发生哈希冲突）下，first = tab[(n - 1) & hash] 就是键对应的值。按照时间复杂度来说的话，可表示为 O(1)。

如果发生哈希冲突，也就是 if ((e = first.next) != null) {} 子句中，可以看到如果节点不是红黑树的时候，会通过 do-while 循环语句判断是否是 equals() 返回对应值。按照时间复杂度来说的话，可以表示为 O(n)。

HashMap 是通过拉链法来解决哈希冲突的，也就是如果发生哈希冲突，同一个键的坑位会放好多个值，超过 8 个值后改为红黑树，为了提高查询的效率。

显然，从时间复杂度上来看的话 O(n) 比 O(1) 的性能要差，这也正是哈希表的价值所在。

可以想一下，如果没有哈希表，但是又需要一个这样的数据结构，它里面存放的数据是不允许重复的，该怎么办呢？难道真的要使用 equals() 方法逐个进行比较吗？如果数据量特别特别的大时，性能就会很差，所以最好的解决方案还是 HashMap。

HashMap 本质上是通过数组实现的，当我们要从 HashMap 中获取某个值时，实际上时要获取数组中某个位置的元素，而位置是通过键来确定的，put() 方法存放时是存的键值对：

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

在 put() 方法中，会将键值对放入到数组中，它会调用 putVal() 方法：

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,boolean evict) {Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)n = (tab = resize()).length;if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)tab[i] = newNode(hash, key, value, null);else {Node<K,V> e; K k;if (p.hash == hash &&((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))e = p;else if (p instanceof TreeNode)e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);else {for (int binCount = 0; ; ++binCount) {if ((e = p.next) == null) {p.next = newNode(hash, key, value, null);if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1sttreeifyBin(tab, hash);break;}if (e.hash == hash &&((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))break;p = e;}}if (e != null) { // existing mapping for keyV oldValue = e.value;if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)e.value = value;afterNodeAccess(e);return oldValue;}}++modCount;if (++size > threshold)resize();afterNodeInsertion(evict);return null;
}

通常情况下，p = tab[i = (n - 1) & hash])就是键对应的值。而数组的索引 (n - 1) & hash 正是基于 hashCode() 方法计算得到的：

static final int hash(Object key) {int h;return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

那到底是为什么重写 equals() 方法的时候要重写 hashCode() 方法呢？

接着上文中的测试类：

/*** Java中的hashCode方法** @author qiaohaojie* @date 2023/3/14  21:42*/
public class HashCodeTest {public static void main(String[] args) {Employee employee1 = new Employee(23,"青花椒");Employee employee2 = new Employee(23,"青花椒");System.out.println(employee1); // Employee@2484ddd{age=23, name='青花椒'}System.out.println(employee2); // Employee@2484ddd{age=23, name='青花椒'}Map<Employee, Integer> map = new HashMap<>();map.put(employee1, 99);System.out.println(map.get(employee2)); // null 不重写hashCode()方法System.out.println(map.get(employee2)); // 99 重写hashCode()方法}
}

没有重写 hashCode() 方法时，两个对象的 hashCode 值：
在这里插入图片描述
重写 hashCode() 方法后，两个对象的 hashCode 值：
在这里插入图片描述
重写 hashCode() 方法时可以直接调用 Objects 类的 hash() 方法：

@Override
public int hashCode() {return Objects.hash(age, name);
}

Objects 类的 hash() 方法内部调用的是 Arrays 类的 hashCode() 方法：

public static int hash(Object... values) {return Arrays.hashCode(values);
}

Arrays 类的 hashCode() 方法是这样实现的：

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;
}

第一次循环：

result = 31 * 1 + Integer.valueOf(23).hashCode() = 31 + 23 = 54；

第二次循环：

result = 31 * (31 * 1 + Integer.valueOf(23).hashCode()) + String(“青花椒”).hashCode() = 31 * 54 + 39291283 = 38292957；

所以，每次重写 equals() 方法时，hashCode() 方法也需要重写，就是为了保证：如果两个对象调用 equals() 方法返回的结果为 true，那么两个对象调用 hashCode() 方法返回的结果也必然相同。


http://chatgpt.dhexx.cn/article/rMcMXdWT.shtml

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