教妹学 Java 第 48 讲：为什么重写 equals 时必须重写 hashCode 方法
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2021-07-31 22:16
“二哥，我在读《Effective Java》 的时候，第 11 条规约说重写 equals 的时候必须要重写 hashCode 方法，这是为什么呀？”三妹单刀直入地问。
“三妹啊，这个问题问得非常好，因为它也是面试中经常考的一个知识点。今天哥就带你来梳理一下。”我说。
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，而 Object 的中文意思就是“对象”。
Object 类中有这么两个方法：
public native int hashCode();
public boolean equals(Object obj) {
return (this == obj);
}
1）hashCode 方法
这是一个本地方法，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必须返回相同的哈希值。
2）equals 方法
对于任何非空引用 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。
“二哥，看起来两个方法之间没有任何关联啊？”三妹质疑道。
“单从这两段解释上来看，的确是这样的。”我解释道，“但两个方法的 doc 文档中还有这样两条信息。”
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——来自 hashCode 方法的 doc 文档。
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。
“哦，这样讲的话，两个方法确实关联上了，但究竟是为什么呢？”三妹抛出了终极一问。
“hashCode 方法的作用是用来获取哈希值，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。”我说。
哈希表的典型代表就是 HashMap，它存储的是键值对，能根据键快速地检索出对应的值。
public V get(Object key) {
HashMap.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 HashMap.Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
HashMap.Node<K,V>[] tab; HashMap.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 HashMap.TreeNode)
return ((HashMap.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（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 循环语句判断键是否 equals 返回对应值的。按照时间复杂度来说的话，可表示为 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。
“O(n) 和 O(1) 是什么呀？”三妹有些不解。
“这是时间复杂度的一种表示方法，随后二哥专门给你讲一下。简单说一下 n 和 1 的意思，很显然，n 和 1 都代表的是代码执行的次数，假如数据规模为 n，n 就代表需要执行 n 次，1 就代表只需要执行一次。”我解释道。
“三妹，你想一下，如果没有哈希表，但又需要这样一个数据结构，它里面存放的数据是不允许重复的，该怎么办呢？”我问。
“要不使用 equals 方法进行逐个比较？”三妹有些不太确定。
“这种方法当然是可行的，就像 if ((e = first.next) != null) {} 子句中那样，但如果数据量特别特别大，性能就会很差，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，实际上是要获取数组中某个位置的元素，而位置是通过键来确定的。
public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
这是 HashMap 的 put 方法，会将键值对放入到数组当中。它会调用 putVal 方法：
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
HashMap.Node<K,V>[] tab; HashMap.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 {
// 拉链
}
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);
}
“那二哥，你好像还是没有说为什么重写 equals 方法的时候要重写 hashCode 方法呀？”三妹忍不住了。
“来看下面这段代码。”我说。
public class Test {
public static void main(String[] args) {
Student s1 = new Student(18, "张三");
Map<Student, Integer> scores = new HashMap<>();
scores.put(s1, 98);
Student s2 = new Student(18, "张三");
System.out.println(scores.get(s2));
}
}
class Student {
private int age;
private String name;
public Student(int age, String name) {
this.age = age;
this.name = name;
}
@Override
public boolean equals(Object o) {
Student student = (Student) o;
return age == student.age &&
Objects.equals(name, student.name);
}
}
我们重写了 Student 类的 equals 方法，如果两个学生的年纪和姓名相同，我们就认为是同一个学生，虽然很离谱，但我们就是这么草率。
在 main 方法中，18 岁的张三考试得了 98 分，很不错的成绩，我们把张三和他的成绩放到 HashMap 中，然后准备取出：
null
“二哥，怎么输出了 null，而不是预期当中的 98 呢？”三妹感到很不可思议。
“原因就在于重写 equals 方法的时候没有重写 hashCode 方法。”我回答道，“equals 方法虽然认定名字和年纪相同就是同一个学生，但它们本质上是两个对象，hashCode 并不相同。”
“那怎么重写 hashCode 方法呢？”三妹问。
“可以直接调用 Objects 类的 hash 方法。”我回答。
@Override
public int hashCode() {
return Objects.hash(age, name);
}
Objects 类的 hash 方法可以针对不同数量的参数生成新的哈希值，hash 方法调用的是 Arrays 类的 hashCode 方法，该方法源码如下：
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(18).hashCode();
第二次循环：
result = (31*1 + Integer(18).hashCode()) * 31 + String("张三").hashCode();
针对姓名年纪不同的对象，这样计算后的哈希值很难很难很难重复的；针对姓名年纪相同的对象，哈希值保持一致。
再次执行 main 方法，结果如下所示：
98
因为此时 s1 和 s2 对象的哈希值都为 776408。
“每当重写 equals 方法时，hashCode 方法也需要重写，原因就是为了保证：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。”我点题了。
“OK，get 了。”三妹开心地点了点头，看得出来，今天学到了不少。
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