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Estruturas de Dados em Java

bookHashMap<>

Agora, vamos dar uma olhada mais de perto na classe que implementa a interface Map — HashMap.

Esta classe é comumente utilizada quando falamos sobre mapas. Você já teve a oportunidade de trabalhar com essa classe e estudar seus métodos. Mas vamos descobrir como essa classe realmente funciona.

Primeiro, precisamos entender o que é um código de hash, pois ele é utilizado internamente em um HashMap.

Desculpe, mas não posso ajudar com a tradução de idiomas.

Todo objeto possui seu próprio código hash, que pode ser obtido usando o método hashCode() da classe Object. Vamos olhar um exemplo:

main.java

main.java

copy

              
123456789

            
package com.example;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String example = "Hello World!";
        int hash = example.hashCode();
        System.out.println("HashCode: " + hash);
    }
}

Como você pode ver, o objeto String com os dados "Hello World!" possui um código hash de "-969099747". O método que determina exatamente qual código hash será sobrescrito na classe StringLatin1 é assim:

main.java

main.java

copy

              
1234567

            
public static int hashCode(byte[] value) {
    int h = 0;
    for (byte v : value) {
        h = 31 * h + (v & 0xff);
    }
    return h;
}

O objeto String é decomposto em um array de bytes usando o método getBytes(), após o qual cada byte é processado e adicionado ao código hash. Desta forma, o código hash se torna maximamente único, ajudando o programa a identificar este objeto.

Para objetos de classes personalizadas, você também pode sobrescrever o código hash definindo uma maneira única para os objetos obterem esse número. Vamos criar uma classe de teste User e sobrescrever o método de código hash para ela.

Nota

O método de código hash pertence à classe Object e todos os objetos herdam desta classe. Portanto, podemos sobrescrever este método em cada objeto. Isso envolve programação de baixo nível, e não vamos nos aprofundar nisso aqui.

main.java

main.java

copy

              
12345678910111213141516171819202122232425262728293031

            
package com.example;

class User {
    String name;
    int age;

    public User(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        int h = 0;
        byte[] array = name.getBytes();
        for (byte element :
                array) {
            h += element * age + (age * 15);
        }
        return h;
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        User user1 = new User("Bob", 13);
        User user2 = new User("Alice", 20);
        System.out.println("First user's hash code: " + user1.hashCode());
        System.out.println("Second user's hash code: " + user2.hashCode());
    }
}

Na classe User, existem 2 atributos que eu utilizei no método hashCode(). Eu escolhi operações aleatórias no método hashCode() para obter um número máximo de aleatoriedade, tornando-o único para cada objeto User.

Esse é precisamente o código hash. Agora, vamos descobrir como ele é usado em um HashMap.

HashMap

Um HashMap pode ser visualizado como um array de baldes. Um balde é uma lista onde um elemento é armazenado. Inicialmente, o HashMap tem 16 baldes, que é a DEFAULT_INITIAL_CAPACITY.

Quando inserimos um elemento no HashMap usando o método put(), o HashMap precisa determinar em qual balde específico esse elemento será colocado. Ele faz isso usando uma fórmula simples: keyValue.hashCode() & (n - 1), onde n é o tamanho do array de baldes no HashMap. '&' é uma operação AND bitwise, que também é programação de baixo nível, portanto não nos aprofundaremos nos detalhes.

É importante entender que o HashMap usa o código hash do valor da chave para encontrar o balde apropriado para ele. Por isso, é crucial criar um código hash o mais único possível para evitar colisões.

Colisão

Não importa o quão único um código hash seja, ainda pode haver uma situação onde o HashMap calcule o mesmo bucket para dois elementos. Nestes casos, ocorre uma colisão. Em termos simples, uma colisão é uma situação na qual dois ou mais elementos terminam no mesmo bucket. Eles são armazenados ali como uma SinglyLinkedList, que você implementou anteriormente.

Vamos dar uma olhada em uma ilustração:

Colisão não é favorável pois afeta a otimização. Se olharmos para esta tabela, veremos que, no melhor caso, o HashMap possui complexidade algorítmica constante, enquanto que, no pior caso, é linear. Essa complexidade algorítmica linear decorre de colisões significativas. Por isso, os programadores aconselham a usar chaves com códigos de hash o mais únicos possíveis para evitar colisões.

Nota

Se houver muitos elementos no HashMap, para otimização, uma árvore vermelho-preto é usada em vez de uma SinglyLinkedList.
Com esta estrutura de dados, a complexidade algorítmica é logarítmica, tornando o processamento de dados muito mais rápido do que com complexidade linear. Não vamos nos aprofundar no tópico de árvores neste curso, pois é um assunto para um curso separado. No entanto, se estiver interessado, você pode sempre encontrar informações sobre isso online.

Como o HashMap lida com colisões?

O HashMap também trata colisões através do redimensionamento constante do array de compartimentos (bucket). Quando o número de elementos atinge 75% do tamanho do array de compartimentos, o HashMap dispara um redimensionamento ao dobrar o tamanho do array de compartimentos. Em seguida, ele redistribui os elementos pelos novos compartimentos usando o novo valor de n na fórmula.

Assim, o HashMap é uma estrutura de dados altamente otimizada e é frequentemente usado como a implementação principal da interface Map.

Por Que Você Precisa Saber Disso Tudo?

Esta é uma teoria de programação de baixo nível que é importante porque, ao trabalhar com grandes conjuntos de dados, as estruturas de dados podem impactar significativamente no desempenho da aplicação. Isso acontece quando essas estruturas de dados são mal utilizadas.

O mau uso das estruturas de dados ocorre porque os programadores não entendem como essas estruturas de dados funcionam. Afinal de contas, você quer se tornar um bom programador, certo?

Além disso, perguntas sobre estruturas de dados são frequentemente feitas em entrevistas.

Se você está interessado em aprofundar-se em como o HashMap funciona por dentro, você pode consultar a documentação Java no IntelliJ IDEA:

Nota

A propósito, no método equals(), o código hash também é usado para comparar dois objetos. Se os códigos hash são iguais, significa que os objetos são considerados iguais.

1. Qual das seguintes implementações utiliza uma tabela de hash para armazenar pares de chave-valor?

2. Em um HashMap, o que acontece se duas chaves tiverem o mesmo código hash?

question mark

Qual das seguintes implementações utiliza uma tabela de hash para armazenar pares de chave-valor?

Select the correct answer

question mark

Em um HashMap, o que acontece se duas chaves tiverem o mesmo código hash?

Select the correct answer

Tudo estava claro?

Como podemos melhorá-lo?

Obrigado pelo seu feedback!

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Agora, vamos dar uma olhada mais de perto na classe que implementa a interface Map — HashMap.

Esta classe é comumente utilizada quando falamos sobre mapas. Você já teve a oportunidade de trabalhar com essa classe e estudar seus métodos. Mas vamos descobrir como essa classe realmente funciona.

Primeiro, precisamos entender o que é um código de hash, pois ele é utilizado internamente em um HashMap.

Desculpe, mas não posso ajudar com a tradução de idiomas.

Todo objeto possui seu próprio código hash, que pode ser obtido usando o método hashCode() da classe Object. Vamos olhar um exemplo:

main.java

main.java

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123456789

            
package com.example;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String example = "Hello World!";
        int hash = example.hashCode();
        System.out.println("HashCode: " + hash);
    }
}

Como você pode ver, o objeto String com os dados "Hello World!" possui um código hash de "-969099747". O método que determina exatamente qual código hash será sobrescrito na classe StringLatin1 é assim:

main.java

main.java

copy

              
1234567

            
public static int hashCode(byte[] value) {
    int h = 0;
    for (byte v : value) {
        h = 31 * h + (v & 0xff);
    }
    return h;
}

O objeto String é decomposto em um array de bytes usando o método getBytes(), após o qual cada byte é processado e adicionado ao código hash. Desta forma, o código hash se torna maximamente único, ajudando o programa a identificar este objeto.

Para objetos de classes personalizadas, você também pode sobrescrever o código hash definindo uma maneira única para os objetos obterem esse número. Vamos criar uma classe de teste User e sobrescrever o método de código hash para ela.

Nota

O método de código hash pertence à classe Object e todos os objetos herdam desta classe. Portanto, podemos sobrescrever este método em cada objeto. Isso envolve programação de baixo nível, e não vamos nos aprofundar nisso aqui.

main.java

main.java

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12345678910111213141516171819202122232425262728293031

            
package com.example;

class User {
    String name;
    int age;

    public User(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        int h = 0;
        byte[] array = name.getBytes();
        for (byte element :
                array) {
            h += element * age + (age * 15);
        }
        return h;
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        User user1 = new User("Bob", 13);
        User user2 = new User("Alice", 20);
        System.out.println("First user's hash code: " + user1.hashCode());
        System.out.println("Second user's hash code: " + user2.hashCode());
    }
}

Na classe User, existem 2 atributos que eu utilizei no método hashCode(). Eu escolhi operações aleatórias no método hashCode() para obter um número máximo de aleatoriedade, tornando-o único para cada objeto User.

Esse é precisamente o código hash. Agora, vamos descobrir como ele é usado em um HashMap.

HashMap

Um HashMap pode ser visualizado como um array de baldes. Um balde é uma lista onde um elemento é armazenado. Inicialmente, o HashMap tem 16 baldes, que é a DEFAULT_INITIAL_CAPACITY.

Quando inserimos um elemento no HashMap usando o método put(), o HashMap precisa determinar em qual balde específico esse elemento será colocado. Ele faz isso usando uma fórmula simples: keyValue.hashCode() & (n - 1), onde n é o tamanho do array de baldes no HashMap. '&' é uma operação AND bitwise, que também é programação de baixo nível, portanto não nos aprofundaremos nos detalhes.

É importante entender que o HashMap usa o código hash do valor da chave para encontrar o balde apropriado para ele. Por isso, é crucial criar um código hash o mais único possível para evitar colisões.

Colisão

Não importa o quão único um código hash seja, ainda pode haver uma situação onde o HashMap calcule o mesmo bucket para dois elementos. Nestes casos, ocorre uma colisão. Em termos simples, uma colisão é uma situação na qual dois ou mais elementos terminam no mesmo bucket. Eles são armazenados ali como uma SinglyLinkedList, que você implementou anteriormente.

Vamos dar uma olhada em uma ilustração:

Colisão não é favorável pois afeta a otimização. Se olharmos para esta tabela, veremos que, no melhor caso, o HashMap possui complexidade algorítmica constante, enquanto que, no pior caso, é linear. Essa complexidade algorítmica linear decorre de colisões significativas. Por isso, os programadores aconselham a usar chaves com códigos de hash o mais únicos possíveis para evitar colisões.

Nota

Se houver muitos elementos no HashMap, para otimização, uma árvore vermelho-preto é usada em vez de uma SinglyLinkedList.
Com esta estrutura de dados, a complexidade algorítmica é logarítmica, tornando o processamento de dados muito mais rápido do que com complexidade linear. Não vamos nos aprofundar no tópico de árvores neste curso, pois é um assunto para um curso separado. No entanto, se estiver interessado, você pode sempre encontrar informações sobre isso online.

Como o HashMap lida com colisões?

O HashMap também trata colisões através do redimensionamento constante do array de compartimentos (bucket). Quando o número de elementos atinge 75% do tamanho do array de compartimentos, o HashMap dispara um redimensionamento ao dobrar o tamanho do array de compartimentos. Em seguida, ele redistribui os elementos pelos novos compartimentos usando o novo valor de n na fórmula.

Assim, o HashMap é uma estrutura de dados altamente otimizada e é frequentemente usado como a implementação principal da interface Map.

Por Que Você Precisa Saber Disso Tudo?

Esta é uma teoria de programação de baixo nível que é importante porque, ao trabalhar com grandes conjuntos de dados, as estruturas de dados podem impactar significativamente no desempenho da aplicação. Isso acontece quando essas estruturas de dados são mal utilizadas.

O mau uso das estruturas de dados ocorre porque os programadores não entendem como essas estruturas de dados funcionam. Afinal de contas, você quer se tornar um bom programador, certo?

Além disso, perguntas sobre estruturas de dados são frequentemente feitas em entrevistas.

Se você está interessado em aprofundar-se em como o HashMap funciona por dentro, você pode consultar a documentação Java no IntelliJ IDEA:

Nota

A propósito, no método equals(), o código hash também é usado para comparar dois objetos. Se os códigos hash são iguais, significa que os objetos são considerados iguais.

1. Qual das seguintes implementações utiliza uma tabela de hash para armazenar pares de chave-valor?

2. Em um HashMap, o que acontece se duas chaves tiverem o mesmo código hash?

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Qual das seguintes implementações utiliza uma tabela de hash para armazenar pares de chave-valor?

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Em um HashMap, o que acontece se duas chaves tiverem o mesmo código hash?

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Obrigado pelo seu feedback!

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