1. 引言
在计算机科学中，哈希函数（Hash Function）是一种将数据映射到指定位数的索引（hash code）的函数。即将任意长度的消息，压缩到某一固定长度的消息摘要（message digest）的函数。
在Java语言中，哈希可以应用于很多方面，比如实现集合类、在密码学中可以应用哈希函数保证消息的完整性，在网络中可以进行数据包的校验等等。本篇文章主要介绍Java中哈希相关的基础知识、哈希算法的实现以及如何在Java中使用哈希函数。
2. Java中哈希的基础知识
1. hashCode方法
在Java中每个对象都有一个默认的hashCode()方法，它返回的是该对象的哈希码值。默认情况下，hashCode()方法返回的哈希码值实际上是该对象的内存地址经过某种算法得到的。因此每个对象的哈希码值都是唯一的。
public class Person {
private String name;
private int age;
// 省略 getter/setter 方法
@Override
public int hashCode() {
int result = 17;
result = result * 31 + name.hashCode();
result = result * 31 + age;
return result;
}
}
2. equals方法
在Java中，equals()方法用于判断两个对象是否相等。如果我们想要自定义一个类的判断相等的逻辑，需要重写equals()方法和hashCode()方法。在重写equals()方法的过程中是经常会用到hashCode()方法来计算这两个对象的哈希码值是否相等。
public class Person {
private String name;
private int age;
// 省略 getter/setter 方法
@Override
public boolean equals(Object obj) {
if (this == obj) {
return true;
}
if (obj == null || getClass() != obj.getClass()) {
return false;
}
Person person = (Person) obj;
if (age != person.age) {
return false;
}
return name.equals(person.name);
}
}
3. 哈希算法的实现
1. MD5
MD5全名Message-Digest Algorithm 5（信息-摘要算法 5），可以将不限长度的字符串处理为固定长度的哈希值（通常为128位二进制）。MD5算法主要是通过对原始数据（消息）进行多次分组处理，每次处理后生成散列值，再将散列值相连得到最终哈希值。
2. SHA
SHA全名Secure Hash Algorithm（安全散列算法），和MD5一样，也是将不定长度消息用哈希函数计算成定长的摘要信息的算法。但SHA输出摘要信息长度可以达到160、256、384、512位。
3. MurmurHash
MurmurHash是在2008年由Austin Appleby创建出来的一种高性能、低碰撞率的哈希算法。它的速度比市面上绝大部分哈希算法都快得多，且具有较低的碰撞率。
public static int murMurHash(String key) {
int length = key.length();
int h = 0;
int seed = 31;
// 设置不同的种子可以避免哈希碰撞
for (int i = 0; i < length; i++) {
h = h * seed + key.charAt(i);
}
return h;
}
4. 在Java中使用哈希函数
在Java中，哈希函数的应用非常广泛，比如HashTable、HashSet、HashMap等容器都以哈希表形式实现。
1. HashMap的实现原理
HashMap是Java中最常用的哈希容器之一，它是基于哈希表实现的。当我们向HashMap中插入一组键值对时，首先会对键进行哈希计算，然后将其作为下标，将值存入哈希表中。如果其中一个下标已经存在一个值，那么就会产生哈希碰撞。
2. ConcurrentHashMap的实现原理
ConcurrentHashMap是Java中的线程安全哈希容器，它采用了分段锁机制来保证线程安全。在ConcurrentHashMap的内部实现中，使用了分段数组来存储键值对，每一段都维护了一个哈希表。在操作ConcurrentHashMap时，首先会通过哈希函数计算出该操作所需要使用的哈希表。然后，对该哈希表进行加锁，确保线程安全。
3. BitSet的使用
BitSet是Java中的位集合容器类，它可以存储一个由布尔值（位）组成的固定长度的序列。在某些情况下，BitSet可以用来替代HashSet，可以大幅度的降低内存的使用。
public static void bitSetDemo() {
BitSet bitSet = new BitSet(1000);
bitSet.set(10, 200);
int cardinality = bitSet.cardinality();
System.out.println("cardinality: " + cardinality);
System.out.println(bitSet.get(20));
}
5. 总结
本篇文章主要介绍了Java中哈希相关的基础知识、哈希算法的实现以及如何在Java中使用哈希函数。
在Java中，哈希容器可以实现快速的数据查找，哈希算法可以实现密码学、校验数据完整性等。需要注意的是，在使用哈希容器时需要重写对象的hashCode和equals方法，以保证数据的正确性。
同时，多数哈希算法都无法避免哈希碰撞问题的出现，因此应尽量选择具有低碰撞率、高性能的哈希算法，比如上文提到的MurmurHash。
