공부 기록

equals를 재정의한 클래스 모두에서 hashCode도 재정의해야 한다.

그렇지 않으면 hashCode 일반 규약을 어기게 되어 해당 클래스의 인스턴스를 HashMap 이나 HashSet 같은 컬렉션의 원소로 사용할 때 문제를 일으키게 된다고 한다.

아래는 Object 메소드의 hashcode이다.

정리해 보자면, 

1. equals 비교에 사용되는 정보가 변경되지 않았다면, 애플리케이션이 실행되는 동안 그 객체의 hashCode 메서드는 몇 번을 호출해도 일관되게 항상 같은 값을 반환해야 한다. 단, 애플리케이션을 다시 실행한다면 이 값이 달라져도 상관없다.
2. equals(Object)가 두 객체를 같다고 판단했다면, 두 객체의 hashCode는 똑같은 값을 반환해야 한다.
3. equals(Object)가 두 객체를 다르다고 판단했더라도, 두 객체의 hashCode가 서로 다 른 값을 반환할 필요는 없다. 단, 다른 객체에 대해서는 다른 값을 반환해야 해시테이블 의 성능이 좋아진다.

hashCode 재정의를 잘못했을 때 크게 문제가 되는 조항은 두 번째 문항이다.

논리적으로 같은 객체는 같은 해시코드를 반환해야 한다.

아이템 10에서 보았듯이 equals는 물리적으로 다른 두 객체를 논리적으로는 같다고 할 수 있다.

하지만 Object의 기본 hashCode 메서드는 이 둘이 전혀 다르다고 판단하여, 규약과 달리 (무작위처럼 보이는) 서로 다른 값을 반환한다.

이 내용을 보기 전에, 먼저 hashmap의 동작 원리에 대해 정리하고 가야할 것 같다.

2020/12/19 - [작성중...] - Java HashMap vs LinkedHashMap vs TreeMap - 작성중...

위 글에서 볼 수 있듯이 HashMap은 해시코드가 다른 엔트리끼리는 동치성 비교를 시도조차 하지 않도록 최적화되어 있다.

그렇다면 올바른 해시코드를 리턴하기 위한 방법은 무엇일까?

만약 해시코드가 모두 동일한 값을 리턴한다면, HashMap에서는 모든 객체가 해시테이블의 버킷 하나에 담겨 마치 연결 리스트(linked list)처럼 동작한다. 그 결과 평균 수행 시간이 0(1)인 해시테이블이 O(n)으로 느려져서, 객체가 많아지면 도저히 쓸 수 없게 된다.
좋은 해시 함수라면 서로 다른 인스턴스에 다른 해시코드를 반환한다. 아까 보았던 hashCode 규약 3번이다. 이상적인 해시 함수는 주어진 (서로 다른) 인스턴스들을 32비트 정수 범위에 균일하게 분배해야 한다.

1. int 변수 result를 선언한 후 값 c로 초기화한다. (c는 해당 객체의 첫 번째 핵심 필드를 단계 2번 방식으로 계산한 해시코드)
   • 핵심 필드: equals 비교에 사용되는 필드를 말한다. (아이템 10)
2. 해당 객체의 나머지 핵심 필드 주 각각에 대해 다음 작업을 수행한다.
   • 해당 필드의 해시코드 c를 계산한다.
     • 기본 타입 필드라면, Type.hashCode(f)를 수행한다. 여기서 Type은 해당 기본 타입의 박싱 클래스다.
     • 참조 타입 필드면서 이 클래스의 equals 메서드가 이 필드의 equals 를 재귀적으로 호출해 비교한다면, 이 필드의 hashCode를 재귀적으로 호출한다. 계산이 더 복잡해질 것 같으면, 이 필드의 표준형（canonical representation）을 만들어 그 표준형의 hashCode를 호출한다. 필드의 값이 null이면 0을 사용한다(다른 상수도 괜찮지만 전통적으로 0을 사용)
     • 필드가 배열이라면, 핵심 원소 각각을 별도 필드처럼 다룬다. 규칙을 재귀적으로 적용해 각 핵심 원소의 해시코드를 계산한 다. 배열에 핵심 원소가 하나도 없다면 단순히 상수(일반적으로 0)를 사용한다. 모든 원소가 핵 심 원소라면 Arrays. hashCode 를 사용한다.
   • 단계 2.a에서 계산한 해시코드 c로 result를 갱신한다. 코드로는 다음 과 같다.
     • result = 31 * result + c;
3. result를반환한다.

이때, equals 비교에 사용되지 않은 필드는 반드시 제외해야 한다. 그렇지 않으면 hashCode 규약 2번을 어기게 될 수 있다.

아래는 위 규칙에 따라 샘플로 만든 해시 코드이다.

@Override 
public int hashCode() {
	int result = Short.hashCode(areaCode); 
	result = 31 * result + Short.hashCode(prefix); 
	result = 31 * result + Short.hashCode(lineNum); 
	return result;
}

여기서 왜 31을 곱해야 하는지에 대한 생각은 스터디원이 잘 정리해 주어서 많은 도움이 됐다.

github.com/dolly0920/Effective_Java_Study/issues/25

해싱 함수의 구현 대해 더 알고 싶다면 아래를 참고하면 좋다.

guava.dev/releases/21.0/api/docs/com/google/common/hash/Hashing.html

위 방식 외에도 Objects 클래스의 임의의 개수만큼 객체를 받아 해시코드를 계산해주는 정적 메서드인 hash를 사용할 수도 있다.

@Override 
public int hashCode() { return Objects.hash(lineNum, prefix, areaCode); }

하지만 성능상 좋진 않다. 여러 입력 인수를 담기 위한 배열이 만들어지고, 입력 중 기본 타입이 있다면 박싱과 언박싱도 거쳐야 하기 때문이다.

클래스가 불변이고, 해시코드를 계산하는 비용이 크다면, 매번 새로 계산하기 보다는 캐싱하는 방식을 고려해야 한다.

이 타입의 객체가 주로 해시의 키로 사용될 것 같다면 인스턴스가 만들어질 때 해시코드를 계산해둬야 한다.

만약 해시의 키로 사용되지 않는 경우라면 hashCode가 처음 불릴 때 계산하는 지연 초기화(lazy initialization) 전략을 사용할 수도 있다. 이 경우에는 클래스를 스레드 안전하게 만들도록 신경 써야 한다(아이템 83).

예시는 아래와 같다. 주의할 점은 hashCode 필드의 초깃값은 흔히 생성되는 객체의 해시코드와는 달라야 한다는 점이다.

private int hashCode; // 자동으로 0으로 초기화된다.

@Override 
public int hashCode() { 
	int result = hashCode;

	if (result == 0) {
		result = Short.hashCode(areaCode); 
		result = 31 * result + Short.hashCode(prefix); 
		result = 31 * result + Short.hashCode(lineNum); hashCode = result;
	} 
	return result;
}

문제 조건

배열이 중복되면 안됨 -> 그럼 hashset을 쓸까?

list 내의 원소들이 순서를 바꾸어도 같은 객체로 인식해야하기 때문에 정렬을 해서 넣어주도록 했다.

import java.util.*;
import java.util.stream.Collectors;

public class Solution {
	public static List<List<Integer>> fourSum(int[] nums, int target) {
		int length = nums.length;
		HashSet<List<Integer>> answer = new HashSet<List<Integer>>();

		for (int i = 0; i < length; i++) {
			for (int j = i + 1; j < length; j++) {
				if (i == j) {
					continue;
				}

				for (int k = j + 1; k < length; k++) {
					if (i == k || j == k) {
						continue;
					}

					for (int l = k + 1; l < length; l++) {
						if (i == l || j == l || k == l) {
							continue;
						}

						if (nums[i] + nums[j] + nums[k] + nums[l] == target) {
							List<Integer> subAnswer = Arrays.asList(nums[i], nums[j], nums[k], nums[l]);
							Collections.sort(subAnswer);
							
							answer.add(subAnswer);
						}
					}
				}
			}
		}
		System.out.println(answer.size());
		return answer.stream().collect(Collectors.toList());
	}
}

최적화

투 포인터를 이용해서 O(N^4)를 줄여보자

public List<List<Integer>> fourSum(int[] nums, int target) {
    Arrays.sort(nums);
    return kSum(nums, target, 0, 4);
}
public List<List<Integer>> kSum(int[] nums, int target, int start, int k) {
    List<List<Integer>> res = new ArrayList<>();
    if (start == nums.length || nums[start] * k > target || target > nums[nums.length - 1] * k)
        return res;
    if (k == 2)
        return twoSum(nums, target, start);
    for (int i = start; i < nums.length; ++i)
        if (i == start || nums[i - 1] != nums[i])
            for (var set : kSum(nums, target - nums[i], i + 1, k - 1)) {
                res.add(new ArrayList<>(Arrays.asList(nums[i])));
                res.get(res.size() - 1).addAll(set);
            }
    return res;
}
public List<List<Integer>> twoSum(int[] nums, int target, int start) {
    List<List<Integer>> res = new ArrayList<>();
    int lo = start, hi = nums.length - 1;
    while (lo < hi) {
        int sum = nums[lo] + nums[hi];
        if (sum < target || (lo > start && nums[lo] == nums[lo - 1]))
            ++lo;
        else if (sum > target || (hi < nums.length - 1 && nums[hi] == nums[hi + 1]))
            --hi;
        else
            res.add(Arrays.asList(nums[lo++], nums[hi--]));
    }
    return res;
}

배운점

비슷하게 hashset안에 int[]를 넣어서 해봤을 때에는 왜 틀릴까?

import java.util.*;
import java.util.stream.Collectors;

public class Solution {
	public static List<List<Integer>> fourSum(int[] nums, int target) {
		int length = nums.length;
		HashSet<int[]> answer = new HashSet<int[]>();

		for (int i = 0; i < length; i++) {
			for (int j = i + 1; j < length; j++) {
				if (i == j) {
					continue;
				}

				for (int k = j + 1; k < length; k++) {
					if (i == k || j == k) {
						continue;
					}

					for (int l = k + 1; l < length; l++) {
						if (i == l || j == l || k == l) {
							continue;
						}

						if (nums[i] + nums[j] + nums[k] + nums[l] == target) {
							int[] subAnswer = new int[4];
							subAnswer[0] = nums[i];
							subAnswer[1] = nums[j];
							subAnswer[2] = nums[k];
							subAnswer[3] = nums[l];
                            
                            Arrays.sort(subAnswer);

							answer.add(subAnswer);
						}
					}
				}
			}
		}
		return answer.stream()
				.map(i -> Arrays.stream(i).boxed().collect(Collectors.toList()))
				.collect(Collectors.toList());
	}
}

결과 - HashSet이 같은 배열임을 인식하지 못한다. (지금 생각해보면 당연한 소리임...)

일단 hashSet 클래스를 보면 결국 HashMap을 이용해서 push하는 것과 같다.  

private transient HashMap<E,Object> map;

     /**
     * Adds the specified element to this set if it is not already present.
     * More formally, adds the specified element {@code e} to this set if
     * this set contains no element {@code e2} such that
     * {@code Objects.equals(e, e2)}.
     * If this set already contains the element, the call leaves the set
     * unchanged and returns {@code false}.
     *
     * @param e element to be added to this set
     * @return {@code true} if this set did not already contain the specified
     * element
     */
    public boolean add(E e) {
        return map.put(e, PRESENT)==null;
    }

HashMap의 put 함수는 아래와 같이 구현되는데, 같은 객체인지 판단할 때 hashCode를 사용함을 알 수 있다.

    /**
     * Associates the specified value with the specified key in this map.
     * If the map previously contained a mapping for the key, the old
     * value is replaced.
     *
     * @param key key with which the specified value is to be associated
     * @param value value to be associated with the specified key
     * @return the previous value associated with {@code key}, or
     *         {@code null} if there was no mapping for {@code key}.
     *         (A {@code null} return can also indicate that the map
     *         previously associated {@code null} with {@code key}.)
     */
    public V put(K key, V value) {
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
    }
    
    
    /**
     * Implements Map.put and related methods.
     *
     * @param hash hash for key
     * @param key the key
     * @param value the value to put
     * @param onlyIfAbsent if true, don't change existing value
     * @param evict if false, the table is in creation mode.
     * @return previous value, or null if none
     */
    final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; 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 {
            Node<K,V> e; K k;
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }
            if (e != null) { // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount;
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }
    
    
    /**
     * 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;
        }
    }

ArrayList 컬렉션에서는 이 hashCode를 오버라이드 하고 있었기 때문에,

오버라이드 된 해시코드를 사용하여 값이 같으면 동일 객체임을 판별할 수 있었던 것이다.

    /**
     * {@inheritDoc}
     */
    public int hashCode() {
        int expectedModCount = modCount;
        int hash = hashCodeRange(0, size);
        checkForComodification(expectedModCount);
        return hash;
    }

ArrayList에서는 해시코드를 entity의 해시코드의 합으로 정의하고 있다.

즉, ArrayList<Integer>의 해시코드는 Integer 의 해시코드들을 사용하여 만드는데, Integer에서 정의된 해시코드의 경우

값이 같은 경우 같은 해시코드를 갖게 된다.

    /**
     * Returns a hash code for an {@code int} value; compatible with
     * {@code Integer.hashCode()}.
     *
     * @param value the value to hash
     * @since 1.8
     *
     * @return a hash code value for an {@code int} value.
     */
    public static int hashCode(int value) {
        return value;
    }

결론적으로, ArrayList<Integer>의 경우 순서가 동일하고, 같은 값을 가진 리스트의 경우 같은 해시코드 값을 갖게 되어 hashSet에 들어갈 때 중복제거가 가능하다.

이와 달리 int[]의 경우 hashCode가 정의되어 있지 않기 때문에 부모 클래스, 즉 Node에 정의되어 있는 hashCode를 사용하게 된다.