자바 깊이 알기 / HashSet의 원리

HashSet의 출력이 고정된 것 같아

(@조엘) 우아한테크코스에서 함께 공부하는 친구가 좋은 대화 주제를 찾아주었다. 어느날 찾아와서는 HashSet의 순서에도 뭔가 규칙이 있을 것 같다는 얘기를 하는 것이다.

public class HashSetExample {
    public static void main(String[] args) {
        HashSet<Object> hashSet = new HashSet<>();
        hashSet.add("1");
        hashSet.add("2");
        hashSet.add("3");
        hashSet.add("4");
        hashSet.add("5");
        hashSet.add("6");
        hashSet.add("7");
        hashSet.add("8");
        hashSet.add("9");
        hashSet.add("10");

        for (Object o : hashSet) {
            System.out.println(o);
        }
    }
}

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

뭔가 순서가 있어보인다.

 

솔직히 처음에는 뭐 hashCode로 저장하니까 1부터 10이 순서대로 저장되나보지~하고 넘길 뻔하다가, 위 코드에 11을 추가하는 순간 아래 같은 출력을 내는 것을 보고 궁금해지기 시작했다.

11
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

 

그래서 파보게 된 HashSet의 원리

HashSet은 결국 HashMap으로 동작한다. 아래 코드를 보면 금방 이해가 될 것이다.

public HashSet() {
   map = new HashMap<>();
}

public boolean add(E e) {
   return map.put(e, PRESENT)==null;
}

public boolean remove(Object o) {
  return map.remove(o)==PRESENT;
}

map에 E e를 저장할 때, e의 hashCode를 사용해서 버킷에 담는다. 이때 map의 인덱스는 해당 객체의 hashCode % 버킷의 수를 이용하게 된다.

 

위 예시에서 o의 hashCode를 출력해보자. 처음 디폴트 버킷의 개수는 16이다. "1"부터 "10"의 hashCode를 16으로 나눈 나머지는 각각 1부터 15이었으나, "11"의 hashCode 1568를 16으로 나눈 나머지는 0이기 때문에 혼자 맨 앞에 있는 것이다.

 

HashSet의 기준으로 본다면 "1"부터 "10"은 HashSet의 map의 인덱스 1~15에 저장되고, "11"은 인덱스 0에 저장되는 것이다.

11
1568

1
49

2
50

...

9
57

10
1567

 

버킷의 확장에 따른 인덱스 변화

자바의 HashMap은 디폴트로 적은 수의 버킷을 갖도록 하고 포함한 객체 개수가 늘어남에 따라 동적으로 버킷을 확장하도록 한다. 기본 버킷의 수는 16개에서 Entry의 개수가 기본 75%인 임계값(load factor)을 넘으면 버킷의 수를 2배로 늘려 Entry를 다시 정리하게 된다.

 

이를 HashSet에 적용하면 set에 추가되는 Entry가 많아져 임계값을 넘어가게 되면, 버킷의 수가 늘어나게 되고, 그럼 map에 추가될 인덱스가 바뀌게 된다. (인덱스 = hashCode % 버킷의 수 이므로)

 

따라서 버킷의 개수가 늘어남에 따라, 즉 Entry가 임계값을 넘김에 따라 map의 인덱스가 변하면서 출력 순서가 달라지는 것이다. 

 

 

그래서 HashSet의 출력은 랜덤이라고 표현하는 것이다.

아예 무작위로 출력되고 저장되어서가 아니라, HashCode와 엔트리 개수, 로드팩터에 따라 map에 저장되는 순서가 계속 바뀌기 때문에 랜덤이라고 하는 것이다.

 

 

Hash Table과 Map의 원리, 체이닝과 버킷의 동적 확장, 자바에서의 HashMap이 더 궁금하다면

1. Seperate Chaining 

 

자바7까지 HashMap에 Separate Chaining을 사용한 것은 같지만, 자바8부터는 버킷 당 8개 이상의 데이터가 쌓이면 링크드 리스트에서 트리로 변경한다. (이때 트리 탐색 대소 판단 기준은 해시 함수 값이다.)

 

그리고 데이터가 삭제되어 6개에 이르면 트리에서 다시 링크드 리스트로 변경한다.

 

이는 노드가 많을 경우 탐색 성능을 위해서는 트리가 우수하지만, 노드가 적을 경우에 트리는 리스트보다 메모리 사용량이 많고, 탐색 성능에서도 크게 차이가 없기 때문이다.

 

또, 리스트->트리, 트리->리스트를 8/6으로 차이를 둔 것은 만약 차이가 1이라면 한 쌍이 추가, 삭제가 반복될 경우 자료 구조를 매번 변경해야하는 오버헤드를 낳을 수 있어 2개의 차이를 뒀다고 한다.

  

2. 해시 버킷 동적 확장

  

해시 버킷의 개수가 적으면 메모리를 아낄 수 있고, 버킷이 많으면 해시 충돌을 줄여 성능을 높일 수 있을 것이다.

 

자바의 HashMap에서는 데이터의 개수가 일정 개수 이상이 되면 버킷의 개수를 2배로 늘려 성능 손실 문제를 해결한다고 한다.

 

이때 어느정도 예측 가능한 상황의 경우 버킷의 최초 개수와 임계점을 직접 지정할 수 있다. (디폴트는 16개, 75%이다)

 

최초 버킷의 수는 말그대로 최초 Entry 개수를 말하고, 임계점(load Factor)는 현재 Entry 개수의 몇 배수가 되면 버킷 확장을 실행할까를 결정한다.

 

예를 들어, 버킷이 100개이고, load factor가 0.87이면, 데이터의 개수가 87개 이상일 때, 버킷의 개수를 200으로 확장하는 것이다.

 

자바 깊이 알기 / Hash Table 원리와 구현