HashMap的boolean containsKey(Object key)方法時間復(fù)雜度為什么是O(1)份殿?

最近開始刷了點(diǎn)LeetCode耸黑,算法的第一個題是Two Sum,看起來很簡單吧零蓉?

Given an array of integers, return indices of the two numbers such that they add up to a specific target.
You may assume that each input would have exactly one solution, and you may not use the same element twice.
Example:
Given nums = [2, 7, 11, 15], target = 9,
Because nums[0] + nums[1] = 2 + 7 = 9,
return [0, 1].

于是我的解法也很簡單暴力

public class Solution {
    public int[] twoSum(int[] nums, int target) {
        int[] result = new int[2];
        for (int i = 0; i < nums.length; i++) {
            int a = nums[i];
            for (int j = i + 1; j < nums.length; j++) {
                int b = nums[j];
                if (a + b == target) {
                    result[0] = i;
                    result[1] = j;
                }
            }
        }
        return result;
    }
}

這種方法嵌套兩層循環(huán)笤受,時間復(fù)雜度分別是O(n),于是總的時間復(fù)雜度是O(n^2)敌蜂。
打開Editorial Solution發(fā)現(xiàn)了這種時間復(fù)雜度是O(n)箩兽,空間復(fù)雜度增加到O(n)的解法。

public int[] twoSum(int[] nums, int target) {
    Map<Integer, Integer> map = new HashMap<>();
    for (int i = 0; i < nums.length; i++) {
        map.put(nums[i], i);
    }
    for (int i = 0; i < nums.length; i++) {
        int complement = target - nums[i];
        if (map.containsKey(complement) && map.get(complement) != i) {
            return new int[] { i, map.get(complement) };
        }
    }
    throw new IllegalArgumentException("No two sum solution");
}

咦紊册?時間復(fù)雜度為什么是O(n)比肄?是時候來看看HashMap源碼了。
先用查找找到containsKey(Object key)方法囊陡。

    /**
     * Returns <tt>true</tt> if this map contains a mapping for the
     * specified key.
     *
     * @param   key   The key whose presence in this map is to be tested
     * @return <tt>true</tt> if this map contains a mapping for the specified
     * key.
     */
    public boolean containsKey(Object key) {
        return getNode(hash(key), key) != null;
    }

containsKey方法調(diào)用了getNode(hash(key), key)方法芳绩,若結(jié)果非null則返回true,否則返回false撞反。所以getNode(hash(key), key)方法就是問題的關(guān)鍵妥色。

    /**
     * Implements Map.get and related methods
     *
     * @param hash hash for key
     * @param key the key
     * @return the node, or null if none
     */
    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;
    }

這個代碼初看有點(diǎn)復(fù)雜,理解原理的關(guān)鍵點(diǎn)在于

  • 返回值Node<K, V>是什么
  • 代碼第三行tab = table中的table是什么
    /**
     * Basic hash bin node, used for most entries.  (See below for
     * TreeNode subclass, and in LinkedHashMap for its Entry subclass.)
     */
    static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final int hash;
        final K key;
        V value;
        Node<K,V> next;

        Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
            this.hash = hash;
            this.key = key;
            this.value = value;
            this.next = next;
        }

        public final K getKey()        { return key; }
        public final V getValue()      { return value; }
        public final String toString() { return key + "=" + value; }

        public final int hashCode() {
            return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
        }

        public final V setValue(V newValue) {
            V oldValue = value;
            value = newValue;
            return oldValue;
        }

        public final boolean equals(Object o) {
            if (o == this)
                return true;
            if (o instanceof Map.Entry) {
                Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>)o;
                if (Objects.equals(key, e.getKey()) &&
                    Objects.equals(value, e.getValue()))
                    return true;
            }
            return false;
        }
    }

可見遏片,Node<K, V>是一個存放有Key和Value的鏈表節(jié)點(diǎn)嘹害。

    /**
     * The table, initialized on first use, and resized as
     * necessary. When allocated, length is always a power of two.
     * (We also tolerate length zero in some operations to allow
     * bootstrapping mechanics that are currently not needed.)
     */
    transient Node<K,V>[] table;

tableNode<K, V>數(shù)組,這里的Node<K, V>則是某一hash值鏈表的頭節(jié)點(diǎn)(不同key的hash值可能重復(fù)吮便,將會被存放在后續(xù)的節(jié)點(diǎn)中)笔呀。值得注意的是,數(shù)組table的長度是2的倍數(shù)髓需。

現(xiàn)在回到getNode(hash(key), key)方法中许师。先看代碼第五行

first = tab[(n - 1) & hash]

沒錯,我們發(fā)現(xiàn)了一個大冪冪僚匆,key對應(yīng)的頭節(jié)點(diǎn)在數(shù)組table中的存放位置微渠,也就是下標(biāo)是(n - 1) & hash這個位運(yùn)算的結(jié)果。n是table的長度(必為2的倍數(shù))咧擂,則n - 1就是table下標(biāo)的取值范圍逞盆,用二進(jìn)制表示是1111...,共log(n)個1松申。因此(n - 1) & hash實(shí)際上是取了hash二進(jìn)制形式的后n位數(shù)云芦,正好能對應(yīng)數(shù)組table的下標(biāo)俯逾。
數(shù)組通過下標(biāo)訪問Node<K, V>的時間復(fù)雜度是O(1),而Node<K, V>訪問字段的時間復(fù)雜度也是O(1)焕数,如果頭節(jié)點(diǎn)后沒有節(jié)點(diǎn)纱昧,時間復(fù)雜度就是O(1)。
頭節(jié)點(diǎn)后存在節(jié)點(diǎn)時堡赔,則按下面的代碼遍歷這些節(jié)點(diǎn)识脆,時間復(fù)雜度大于O(1)。

            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);
            }

至于如何盡量避免產(chǎn)生相同的位運(yùn)算值善已,那就是hash算法的事了灼捂,不在本文討論范圍內(nèi)。實(shí)際上一個好的hash算法是可以讓平均時間復(fù)雜度為O(1)的换团。

至此悉稠,containsKey(Object key)方法的時間復(fù)雜度問題就基本解決了。

寫完這篇文章我就發(fā)現(xiàn)啊艘包,原來LeetCode最簡單的Two Sum也能學(xué)到這么多東西的猛,還是好好去刷LeetCode吧。

參考資料

https://leetcode.com/articles/two-sum/

最后編輯于
?著作權(quán)歸作者所有,轉(zhuǎn)載或內(nèi)容合作請聯(lián)系作者
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