Пример хеширования md5 в java

HashMapStructure.java(main class)

run -> debug as-> java applicationcountryCapitalMapwatch

  1. Есть массив из 16 ячеек с именем ;


  2. В этом массиве хранятся объекты класса . У класса есть внутренний класс — . И экземплярами этого класса являются пары ключ-значение. Давайте взглянем на структуру класса :

Каждый раз когда мы пытаемся создать пару ключ-значение в хэш-карте, для этой пары создается объект класса , и он будет храниться в указанной выше таблице . А теперь вам должно быть интересно, куда именно в этой таблице будет записан этот объект (в какую ячейку). Для ключа из пары ключ-значение высчитывается хэш-код с помощью метода . И этот хэш-код используется для вычисления номера ячейки таблицы ;

Теперь, если вы взгляните на ячейку 10 таблицы, вы увидите объект класса с именем ;

Мы добавили 4 пары ключ-значение, но в массиве только 2!!! Это потому что, если 2 объекта имеют одинаковый хэш-код, то они будут храниться в одной ячейке. Но как? Объекты будут храниться в виде связного списка ().

When to override equals() and hashCode() methods?

When we override equals() method, it’s almost necessary to override the hashCode() method too so that their contract is not violated by our implementation.

Note that your program will not throw any exceptions if the equals() and hashCode() contract is violated, if you are not planning to use the class as Hash table key, then it will not create any problem.

If you are planning to use a class as Hash table key, then it’s must to override both equals() and hashCode() methods.

Let’s see what happens when we rely on default implementation of equals() and hashCode() methods and use a custom class as HashMap key.

When we run above program, it will print . It’s because Object hashCode() method is used to find the bucket to look for the key. Since we don’t have access to the HashMap keys and we are creating the key again to retrieve the data, you will notice that hash code values of both the objects are different and hence value is not found.

Java hashCode()

Java Object hashCode() is a native method and returns the integer hash code value of the object. The general contract of hashCode() method is:

  • Multiple invocations of hashCode() should return the same integer value, unless the object property is modified that is being used in the equals() method.
  • An object hash code value can change in multiple executions of the same application.
  • If two objects are equal according to equals() method, then their hash code must be same.
  • If two objects are unequal according to equals() method, their hash code are not required to be different. Their hash code value may or may-not be equal.

Implementing equals() and hashCode() method

We can define our own equals() and hashCode() method implementation but if we don’t implement them carefully, it can have weird issues at runtime. Luckily most of the IDE these days provide ways to implement them automatically and if needed we can change them according to our requirement.

We can use Eclipse to auto generate equals() and hashCode() methods.

Here is the auto generated equals() and hashCode() method implementations.

Notice that both equals() and hashCode() methods are using same fields for the calculations, so that their contract remains valid.

If you will run the test program again, we will get the object from map and program will print 10.

We can also use Project Lombok to auto generate equals and hashCode method implementations.

Understanding How hashCode() Works

Simply put, hashCode() returns an integer value, generated by a hashing algorithm.

Objects that are equal (according to their equals()) must return the same hash code. It’s not required for different objects to return different hash codes.

The general contract of hashCode() states:

Whenever it is invoked on the same object more than once during an execution of a Java application, hashCode() must consistently return the same value, provided no information used in equals comparisons on the object is modified. This value needs not remain consistent from one execution of an application to another execution of the same application

If two objects are equal according to the equals(Object) method, then calling the hashCode() method on each of the two objects must produce the same value

It is not required that if two objects are unequal according to the equals(java.lang.Object) method, then calling the hashCode method on each of the two objects must produce distinct integer results. However, developers should be aware that producing distinct integer results for unequal objects improves the performance of hash tables

hashCode()

hashCode() returns an integer representing the current instance of the class. We should calculate this value consistent with the definition of equality for the class. Thus if we override the equals() method, we also have to override hashCode().

For some more details, check out our guide to hashCode().

3.1. hashCode() Contract

Java SE also defines a contract for the hashCode() method. A thorough look at it shows how closely related hashCode() and equals() are.

All three criteria in the contract of hashCode() mention in some ways the equals() method:

  • internal consistency: the value of hashCode() may only change if a property that is in equals() changes
  • equals consistency: objects that are equal to each other must return the same hashCode
  • collisions: unequal objects may have the same hashCode

3.2. Violating the Consistency of hashCode() and equals()

The 2nd criteria of the hashCode methods contract has an important consequence: If we override equals(), we must also override hashCode(). And this is by far the most widespread violation regarding the contracts of the equals() and hashCode() methods.

Let’s see such an example:

The Team class overrides only equals(), but it still implicitly uses the default implementation of hashCode() as defined in the Object class. And this returns a different hashCode() for every instance of the class. This violates the second rule.

Now if we create two Team objects, both with city “New York” and department “marketing”, they will be equal, but they will return different hashCodes.

3.3. HashMap Key With an Inconsistent hashCode()


But why is the contract violation in our Team class a problem? Well, the trouble starts when some hash-based collections are involved. Let’s try to use our Team class as a key of a HashMap:

We would expect myTeamLeader to return “Anne”. But with the current code, it doesn’t.

If we want to use instances of the Team class as HashMap keys, we have to override the hashCode() method so that it adheres to the contract: Equal objects return the same hashCode.

Let’s see an example implementation:

After this change, leaders.get(myTeam) returns “Anne” as expected.

Как работает HashMap

работает по принципам хэширования, за счет которого доступ к элементам по ключу достигается в лучшем случае за константное время – .

хранит элементы вида в массиве:

где – вложенный класс со следующей структурой:

Как видно, в хранится хэш, ключ, значение и ссылка не следующий элемент (об этом поле расскажу далее).

В теории хэширования существует такое понятие как коллизия – это явление, когда для разных объектов получается одинаковый хэш-код.

В Java хэш-код имеет тип , следовательно, множество хэш-кодов ограничено множеством значений типа – .

Множество же объектов ограничено только Вашей фантазией, следовательно, возможна ситуация, когда различные объекты будут иметь один и тот же хэш-код.

Вкратце, процесс добавления пары в выглядит следующим образом:

  1. Если , то вызывается метод в который передается . Этот метод добавляет в нулевую позицию массива;
  2. Если , то вычисляется хэш-код объекта , который передается в метод :

  3. По полученному из метода хэш-коду вычисляется индекс массива, по которому необходимо разместить данную пару :

  4. Если по полученному индексу в массиве не содержится ничего, то данная пара размещается по этому индексу.

  5. Если по полученному индексу уже находится какая-либо пара (либо пары), то происходит последовательный обход всех пар с проверкой равенства хэш-кода и ключа добавляемой пары с соответствующими значениями уже находящихся в данной корзине пар. Для сравнения хэш-кода используется , а для сравнения ключа или . При совпадении этих параметров, значение элемента перезаписывается.

Таким образом, каждый элемент массива (корзина, bucket) представляет собой связный список (linked list), в котором последовательно хранятся элементы.

Отсюда становится понятно, что:

  • В лучшем случае (когда в одной корзине находится не более одного элемента) – значение по ключу можно получить за ;
  • В худшем случае (когда все элементы находятся в одной корзине, а искомый элемент – последний в списке) – значение по ключу можно получить за (так как придется последовательно обойти все элементы списка).

Описание тождества

В классе есть два метода для построения логических выводов об идентичности объектов и . В общем, если Вы изменяете один из этих методов, то Вы должны изменить оба метода, так как между ними существуют важные взаимосвязи, которые необходимо учитывать. В особенности, если два объекта тождественны в соответствии с методом , они должны иметь одно значение (хотя обратное не всегда верно).

Семантика для данного класса перекладывается на конструктор. Описание того, что для данного класса означает , является частью проектирования самого класса. Реализация по умолчанию, предоставленная классом , является просто тождеством ссылок:

  public boolean equals(Object obj) { 
    return (this == obj); 
  }

В данной реализации по умолчанию две ссылки тождественны, только если они ссылаются на один и тот же объект. Аналогично, реализация по умолчанию, предоставленная классом , получается из преобразования адреса памяти объекта в целочисленное значение. Так как в некоторых архитектурах адресное поле больше, чем область значений для , то, возможно, у двух отдельных объектов может быть один и тот же . Если Вы изменяете , то Вы все еще можете использовать метод для доступа к этому значению по умолчанию.

Простой пример замены equals()

Реализация и на основе идентичности является целесообразной настройкой по умолчанию, но для некоторых классов желательно освободить их описание от какого-либо тождества. Например, класс описывает следующим образом:

  public boolean equals(Object obj) {
    return (obj instanceof Integer 
            && intValue() == ((Integer) obj).intValue());
  }

В данном описании два объекта тождественны, только если они содержат одно и тот же целочисленное значение. Все это, а также и неизменность , приводит к тому, что практично использовать в качестве ключа в . Такой характеризуемый значением подход к тождеству используется всеми элементарными классами-оболочками в библиотеке классов языка Java, например , , и , а также (два объекта тождественны, если они содержат одну и ту же последовательность символов). Благодаря тому, что все эти классы неизменны и корректно реализуют и , все они являются хорошими ключами хеширования.

Зачем изменять equals() и hashCode()?

Что случится, если не изменяет и ? Ничего, но только при условии, что мы никогда не использовали в качестве ключа в или других наборах на базе хеширования. Однако, если бы мы использовали такой объект в качестве ключа в , то мы смогли бы надежно получать соответствующее значение, если только мы не использовали тот же самый в вызове , как мы делали это в вызове . Для этого требуется удостовериться, что во всей нашей программе мы использовали только один объект , отвечающий конкретному целочисленному значению. Разумеется, этот подход неудобен и подвержен ошибкам.

Условие интерфейса выдвигает требование: если два объекта тождественны , то у них должно быть одно и то же значение . Почему нашему корневому классу объектов необходим , если его способность к распознаванию полностью определяется ? Метод существует исключительно для производительности

Разработчики архитектуры Java предвидели всю важность классов-наборов на базе хеширования — например , и — для типичных Java-платформ, а сравнение нескольких объектов при помощи , может быть достаточно затратным с точки зрения вычислительных ресурсов. Наличие поддержки каждым объектом Java позволяет эффективно хранить и извлекать их с помощью наборов на базе хеширования.

Оглавление:

  1. Cryptography
  2. Cipher
  3. MessageDigest
  4. Mac
  5. Signature
  6. KeyPair
  7. KeyGenerator
  8. KeyPairGenerator
  9. KeyStore
  10. Keytool
  11. Certificate
  12. CertificateFactory
  13. CertPath

Java MessageDigest (Дайджест сообщения)

Класс Java MessageDigest представляет криптографическую хеш-функцию, которая может вычислять дайджест сообщения из двоичных данных. Когда вы получаете набор зашифрованных данных, вы не можете быть уверены в том, что он не был изменен во время транспортировки. Дайджест сообщения помогает решить эту проблему.

Чтобы определить, были ли зашифрованные данные модифицированы при транспортировке, отправитель должен рассчитать дайджест сообщения из данных и отправить его вместе с данными. Другая сторона получая зашифрованные данные и дайджест сообщения, может пересчитать дайджест сообщения из данных и проверить, соответствует ли вычисленный дайджест сообщения дайджесту сообщения, полученному с данными. Если два дайджеста сообщения совпадают, существует вероятность того, что зашифрованные данные не были изменены во время транспортировки.

Есть несколько условий, которые должны быть выполнены, чтобы дайджест сообщения был полезен в качестве механизма обнаружения изменений. Однако точные условия являются частью криптографической теории которая не рассматривается в данной статье, а только объясняет, как использовать Java для получения дайджеста сообщения в классе MessageDigest.

Создание экземпляра MessageDigest

Для создания экземпляра класса MessageDigest, вызывается статический метод getInstance() класса MessageDigest. Вот пример создания экземпляра MessageDigest:

Строковый параметр, передаваемый методу getInstance(), определяет используемый алгоритм дайджеста конкретного сообщения.

Алгоритмы дайджеста сообщения

Java Cryptography API поддерживает следующие алгоритмы дайджеста сообщений (внешние поставщики криптографии могут поддерживать больше):

  • MD2
  • MD5
  • SHA-1
  • SHA-256
  • SHA-384
  • SHA-512

Не все эти алгоритмы одинаково безопасны. На момент написания статьи рекомендуется использовать SHA-256 или выше, чтобы получить максимально возможный уровень безопасности.

Вычисление дайджеста сообщения

Создав экземпляр MessageDigest, можно использовать его для расчета дайджеста сообщения. Если у вас есть один блок данных для расчета дайджеста сообщения, используйте метод digest(). Вот как выглядит вычисление дайджеста сообщения из одного блока данных:

Если есть несколько блоков данных для включения в один и тот же дайджест сообщения, вызовите метод update() и завершите вызовом digest(). Вот как выглядит вычисление дайджеста сообщения из нескольких блоков данных:

Java equals()

Object class defined equals() method like this:

According to java documentation of equals() method, any implementation should adhere to following principles.

  • For any object x, should return .
  • For any two object x and y, should return if and only if returns .
  • For multiple objects x, y, and z, if returns and returns , then should return .
  • Multiple invocations of should return same result, unless any of the object properties is modified that is being used in the method implementation.
  • Object class equals() method implementation returns only when both the references are pointing to same object.

Standard hashCode() Implementations

The better the hashing algorithm that we use to compute hash codes, the better will the performance of hash tables be.


Let’s have a look at a “standard” implementation that uses two primes numbers to add even more uniqueness to computed hash codes:

While it’s essential to understand the roles that hashCode() and equals() methods play, we don’t have to implement them from scratch every time, as most IDEs can generate custom hashCode() and equals() implementations and since Java 7, we got an Objects.hash() utility method for comfortable hashing:

IntelliJ IDEA generates the following implementation:

And Eclipse produces this one:

In addition to the above IDE-based hashCode() implementations, it’s also possible to automatically generate an efficient implementation, for example using Lombok. In this case, the dependency must be added to pom.xml:

It’s now enough to annotate the User class with @EqualsAndHashCode:

Similarly, if we want Apache Commons Lang’s HashCodeBuilder class to generate a hashCode() implementation for us, the Maven dependency must be included in the pom file:

And hashCode() can be implemented like this:

In general, there’s no universal recipe to stick to when it comes to implementing hashCode(). We highly recommend reading Joshua Bloch’s Effective Java, which provides a list of thorough guidelines for implementing efficient hashing algorithms.

What can be noticed here is that all those implementations utilize number 31 in some form – this is because 31 has a nice property – its multiplication can be replaced by a bitwise shift which is faster than the standard multiplication:

Как писать hashCode() и equals()?

В большинстве IDE уже есть готовые генераторы hashCode()  и equals(), где вам нужно будет только указать поля, которые необходимо учитывать при генерации кода этих методов. При этом вам зачастую на выбор будет предоставлено несколько вариантов генераций:

  • Генерация на чистом Java, как оно было раньше
  • Генерация с помощью библиотеки Apache Commons Lang.
  • Генерация с помощью класса java.util.Objects, который входит в состав Java 7. В классе java.util.Objects  есть специальные методы publicstaticinthash(Object…values),  publicstaticbooleandeepEquals(Objecta,Objectb) и publicstaticbooleanequals(Objecta,Objectb). Эти методы пришли в Java из библиотеки Guava. Методы с приставкой deep отличаются от обычных тем, что они заходят внутрь массивов и проходят по их элементам, об этом написано чуть ниже.
  • Генерация с помощью Guava, где есть методы, аналогичные методам из java.util.Objects.

Всегда имеет смысл посмотреть на сгенерированный IDE код для общего развития. Здесь прослеживается следующая связь:

  • Все реализации коллекций и Map-ов в Java имеют переопределённые методы hashCode() и equals(), которые пробегаются по своим элементам для получения результата.
  • Массивы в Java не переопределяют hashCode() и equals(). Они используют реализацию из класса Object, которая сравнивает ссылки. Поэтому при построении hashCode() нужно пользоваться статическими методами hashCode()  и deepHashCode() из класса java.util.Arrays. При написании методов equals нужно аналогично использовать методы equals()  и deepEquals() из класса java.util.Arrays. Методы с приставкой deep здесь отличаются от обычных тем, что в случае, если массив(ы) содержать в качестве элементов другие массивы, то методы без приставки deep будут возвращать значения, основанные на методе из Object, а с приставкой deep будут заходить внутрь этого вложенного массива и проходиться по его элементам.

Handling Hash Collisions

The intrinsic behavior of hash tables raises up a relevant aspect of these data structures: even with an efficient hashing algorithm, two or more objects might have the same hash code, even if they’re unequal. So, their hash codes would point to the same bucket, even though they would have different hash table keys.

This situation is commonly known as a hash collision, and various methodologies exist for handling it, with each one having their pros and cons. Java’s HashMap uses for handling collisions:

“When two or more objects point to the same bucket, they’re simply stored in a linked list. In such a case, the hash table is an array of linked lists, and each object with the same hash is appended to the linked list at the bucket index in the array.

In the worst case, several buckets would have a linked list bound to it, and the retrieval of an object in the list would be performed linearly.”

Hash collision methodologies show in a nutshell why it’s so important to implement hashCode() efficiently.

Java 8 brought an interesting enhancement to HashMap implementation – if a bucket size goes beyond the certain threshold, the linked list gets replaced with a tree map. This allows achieving O(logn) look up instead of pessimistic O(n).

Вычисление индекса в HashMap

Хэш код ключа может быть достаточно большим для создания массива. Сгенерированный хэш код может быть в диапазоне целочисленного типа и если мы создадим массив такого размера, то легко получим исключение outOfMemoryException. Потому мы генерируем индекс для минимизации размера массива. По сути для вычисления индекса выполняется следующая операция:

где n равна числу bucket или значению длины массива. В нашем примере я рассматриваю n, как значение по умолчанию равное 16.

HashMap:

Шаги:

  1. Вычислить значение ключа {«vishal»}. Оно будет сгенерированно, как 118.

  2. Вычислить индекс с помощью метода , который будет равен 6.

  3. Создать объект node.

  4. Поместить объект в позицию с индексом 6, если место свободно.

Теперь HashMap выглядит примерно так:

Шаги:

  1. Вычислить значение ключа {«sachin»}. Оно будет сгенерированно, как 115.

  2. Вычислить индекс с помощью метода , который будет равен 3.

  3. Создать объект node.

  4. Поместить объект в позицию с индексом 3, если место свободно.


Теперь HashMap выглядит примерно так:

Шаги:

  1. Вычислить значение ключа {«vaibhav»}. Оно будет сгенерированно, как 118.

  2. Вычислить индекс с помощью метода , который будет равен 6.

  3. Создать объект node.

  4. Поместить объект в позицию с индексом 6, если место свободно.

  5. В данном случае в позиции с индексом 6 уже существует другой объект, этот случай называется коллизией.

  6. В таком случае проверям с помощью методов hashCode() и equals(), что оба ключа одинаковы.

  7. Если ключи одинаковы, заменить текущее значение новым.

  8. Иначе связать новый и старый объекты с помощью структуры данных «связанный список», указав ссылку на следующий объект в текущем и сохранить оба под индексом 6.

Теперь HashMap выглядит примерно так:

Изображение взято из оригинальной статьи и изначально содержит ошибку. Ссылка на следующий объект в объекте vishal с индексом 6 не равна null, в ней содержится указатель на объект vaibhav.

Шаги:

  1. Вычислить хэш код объекта {“sachin”}. Он был сгенерирован, как 115.

  2. Вычислить индекс с помощью метода , который будет равен 3.

  3. Перейти по индексу 3 и сравнить ключ первого элемента с имеющемся значением. Если они равны -вернуть значение, иначе выполнить проверку для следующего элемента, если он существует.

  4. В нашем случае элемент найден и возвращаемое значение равно 30.

Шаги:

  1. Вычислить хэш код объекта {«vaibhav»}. Он был сгенерирован, как 118.

  2. Вычислить индекс с помощью метода , который будет равен 6.

  3. Перейти по индексу 6 и сравнить ключ первого элемента с имеющемся значением. Если они равны -вернуть значение, иначе выполнить проверку для следующего элемента, если он существует.

  4. В данном случае он не найден и следующий объект node не равен null.

  5. Если следующий объект node равен null, возвращаем null.

  6. Если следующий объект node не равен null, переходим к нему и повторяем первые три шага до тех пор, пока элемент не будет найден или следующий объект node не будет равен null.

Вывод:

Put:

  1. Проверяем объект на равенство . Если так и есть, то объект будет сохранен в ячейке , потому что хэш-код для всегда равен 0;

  2. используется для определения конкретной ячейку в массиве , в которую будет определен для хранения объект класса ;

  3. Как мы видели в нашем примере, если два объекта имеют одинаковый хэш-код (эта ситуации известна, как коллизия), то они будут сохранены в форме связного списка. Поэтому на данном этапе мы проводим итерацию нашего списка:
  • если только что рассчитанная ячейка пуста, то объект класса будет сохранен непосредственно в эту ячейку;

  • если в этой ячейке уже содержится какой-либо объект, тогда происходит итерация до элемента, у которого поле равно . После этого наш объект класса становится следующим в списке;

  • что, если мы добавим такой же объект еще раз? По логике он должен заменить старое значение. Да, так и будет. Во время итерации будет производиться сравнение ключей с помощью метода (). Если результатом будет истина, то старое значение будет заменено на значение текущего объекта .


С этим читают