去哪面试都会问的HashMap
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好好学java
发布日期:   2021-04-04
作者:   欧阳思海
文章字数:   3.2k
阅读时长:   13 分
阅读次数:  
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前言

HashMap可以说是面试的重中之重，去10家公司面试，8家都会问道，为什么大家都爱用HashMap打开话题？

HashMap是怎么实现的？

  1. jdk1.7的HashMap是用数组+链表实现的1. jdk1.8的HashMap是用数组+链表+红黑树实现的
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HashMap的主干是一个数组，假设我们有3个键值对dnf:1，cf:2，lol:3，每次放的时候会根据key.hash % table.length（对象的hashcode进行一些操作后对数组的长度取余）确定这个键值对应该放在数组的哪个位位置

1 = indexFor(dnf)，我们将键值对放在数组下标为1的位置

jdk1.7是头插法jdk1.8是尾插法

由上图可以看出，HashMap在发生hash冲突的时候用的是链地址法，解决hash冲突并不只有这一种方法，常见的有如下四种方法

  1. 开放定址法1. 链地址法1. 再哈希法1. 公共溢出区域法。

    JDK1.7源码

几个重要的属性


//初始容量是16，且容量必须是2的倍数
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;

//最大容量是2的30次方
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

//负载因子
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

static final Entry<?,?>[] EMPTY_TABLE = {};

//HashMap的主干是一个Entry数组,在需要的时候进行扩容，长度必须是2的被数
transient Entry<K,V>[] table = (Entry<K,V>[]) EMPTY_TABLE;

//放置的key-value对的个数
transient int size;

//进行扩容的阈值，值为 capacity * load factor，即容量 * 负载因子
int threshold;

//负载因子
final float loadFactor;

这里说一下threshold和loadFactor，threshold = capacity * load factor，即扩容的阈值=数组长度 * 负载因子，如果hashmap中放了16个元素，负载因子为0.75，则扩容阈值为16*0.75=12

  1. 负载因子越小，容易扩容，浪费空间，但查找效率高1. 负载因子越大，不易扩容，对空间的利用更加充分，查找效率低（链表拉长）
    存储数据的静态内部类，数组+链表，这里的数组指的就是Entry数组

static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final K key;
    V value;
    Entry<K,V> next;//存储指向下一个Entry的引用，单链表结构
    int hash;//对key的hashcode值进行hash运算后得到的值，存储在Entry，避免重复计算

    Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
        value = v;
        next = n;
        key = k;
        hash = h;
    }
}

构造函数

其他都是在此基础上的扩展，主要就是设置初始容量和负载因子，这2个参数前面介绍过了哈。


public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
    if (initialCapacity < 0)
        throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
                initialCapacity);
    if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
        initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
    if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
        throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
                loadFactor);

    this.loadFactor = loadFactor;
    threshold = initialCapacity;
    init();
}

最重要的知识点来了，对着流程看源码比较好理解

put方法的执行过程

  1. key为null直接放在table[0]处，对key的hashCode()做hash运算，计算index;1. 如果节点已经存在就替换old value(保证key的唯一性)，并返回old Value1. 如果达到扩容的阈值（超过capacity * load factor），并且发生碰撞，就要resize1. 将元素放到bucket的首位，即头插法
    ```
    public V put(K key, V value) {
        //hashmap的数组为空
        if (table == EMPTY_TABLE) {
            inflateTable(threshold);
        }
        if (key == null)
            return putForNullKey(value);
        //获取hash值
        int hash = hash(key);
        //找到应该放到table的哪个位置
        int i = indexFor(hash, table.length);
        //遍历table[i]位置的链表，查找相同的key,若找到则使用新的value替换oldValue,并返回oldValue
        for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
            Object k;
            //如果key已经存在，将value设置为新的，并返回旧的value值
            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;
            }
        }

    modCount++;
    //将元素放到table[i]，新的元素总在table[i]位置的第一个元素，原来的元素后移
    addEntry(hash, key, value, i);
    return null;
}



为空时，HashMap还没有创建这个数组，有可能用的是默认的16的初始值，还有可能自定义了长度，这时需要把数组长度变为2的最小倍数，并且这个2的倍数大于等于初始容量

private void inflateTable(int toSize) {
    //返回大于或等于最接近2的幂数
    int capacity = roundUpToPowerOf2(toSize);

    threshold = (int) Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
    table = new Entry[capacity];
    initHashSeedAsNeeded(capacity);
}



若key为null，则将值放在table[0]这个链上

private V putForNullKey(V value) {
    for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
        if (e.key == null) {
            V oldValue = e.value;
            e.value = value;
            e.recordAccess(this);
            return oldValue;
        }
    }
    modCount++;
    addEntry(0, null, value, 0);
    return null;
}



找到应该放在数组的位置，h &amp; (length-1)这个式子你可以认为hash值对数组长度取余，后面会说到这个式子

static int indexFor(int h, int length) {
    // assert Integer.bitCount(length) == 1 : “length must be a non-zero power of 2”;
    return h & (length-1);
}



添加元素

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    // 容量超过阈值，并且发生碰撞时进行扩容
    if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
        // 数组扩容为原来的2倍，并将元素复制到新数组上
        resize(2 * table.length);
        // 重新计算hash值，如果不做特殊设置的话，和之前算出来的hash值一样
        hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
        bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
    }

    createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}



将新增加的元素放到table的第一位，并且将其他元素跟在第一个元素后面

void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
    table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
    size++;
}



容量超过阈值并且发生碰撞，开始扩容

void resize(int newCapacity) {
    Entry[] oldTable = table;
    int oldCapacity = oldTable.length;
    //容量已经达到最大
    if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
        threshold = Integer.MAX_VALUE;
        return;
    }

    Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
    transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));
    table = newTable;
    threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
}



重新计算元素在新的数组中的位置，并进行复制处理，initHashSeedAsNeeded函数默认情况下会一直返回false，即rehash在默认情况下为false

void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
    int newCapacity = newTable.length;
    // 遍历数组
    for (Entry<K,V> e : table) {
        // 遍历链表
        while(null != e) {
            Entry<K,V> next = e.next;
            if (rehash) {
                e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
            }
            int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
            e.next = newTable[i];
            newTable[i] = e;
            e = next;
        }
    }
}



这个transfer函数挺有意思的，如果你仔细理解它的复制过程，会发现有如下2个特别有意思的地方
1. **原来在oldTable[i]位置的元素，会被放到newTable[i]或者newTable[i+oldTable.length]的位置**1. **链表在转移的时候会反转**
这2个点需要注意一下，我会在JDK1.8中再次提到这2个点

**get方法的执行过程**
1. key为null直接从table[0]处取，对key的hashCode()做hash运算，计算index;1. 通过key.equals(k)去查找对应的Entry，接着返回value

public V get(Object key) {
    if (key == null)
        return getForNullKey();
    Entry<K,V> entry = getEntry(key);

    return null == entry ? null : entry.getValue();
}



从table[0]初获取key为null的值

private V getForNullKey() {
    if (size == 0) {
        return null;
    }
    for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
        if (e.key == null)
            return e.value;
    }
    return null;
}



key不为null时

final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
    if (size == 0) {
        return null;
    }

    int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
    for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];
         e != null;
         e = e.next) {
        Object k;
        if (e.hash == hash &&
            ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            return e;
    }
    return null;
}

```

JDK1.8源码

jdk1.8存取key为null的数据并没有进行特判，而是通过将hash值返回为0将其放在table[0]处

put执行过程

  1. 对key的hashcode()高16位和低16位进行异或运算求出具体的hash值1. 如果table数组没有初始化，则初始化table数组长度为161. 根据hash值计算index，如果没碰撞则直接放到bucket里（bucket可为链表或者红黑树）1. 如果碰撞导致链表过长，就把链表转为红黑树1. 如果key已经存在，用new value替换old value，并返回old value1. 如果超过扩容的阈值则进行扩容，threshold = capacity * load factor
    jdk1.8和jdk1.7重新获取元素值在新数组中所处的位置的算法发生了变化（实际效果没发生改变）
  2. jdk1.7，hash & (length-1)1. jdk1.8，判断原来hash值要新增的bit位是0还是1。假如是0，放到newTable[i]，否则放到newTable[i+oldTable.length]

get执行过程

  1. 对key的hashcode()高16位和低16位进行异或运算求出具体的hash值1. 如果在bucket里的第一个节点直接命中，则直接返回1. 如果有冲突，通过key.equals(k)去查找对应的Node，并返回value。在树中查找的效率为O(logn)，在链表中查找的效率为O(n)

    常见面试题

HashMap，HashTable，ConcurrentHashMap之间的区别

对象key和value是否允许为空是否线程安全 |------ HashMapkey和value都允许为null否 HashTablekey和value都不允许为null是 ConcurrentHashMapkey和value都不允许为null是

HashMap在什么条件下扩容

jdk1.7

  1. 超过扩容的阈值1. 发生碰撞

jdk1.8

  1. 超过扩容的阈值

    HashMap的大小为什么是2的n次方

为了通过hash值确定元素在数组中存的位置，我们需要进行如下操作hash%length，当时%操作比较耗时间，所以优化为 hash & (length - 1)

当length为2的n次方时，hash & (length - 1) =hash % length

我们假设数组的长度为15和16，hash码为8和9

h & (length - 1)hlengthindex |------ 8 & (15 - 1)010011100100 9 & (15 - 1)010111100100 8 & (16 - 1)010011110100 9 & (16 - 1)010111110101

可以看出数组长度为15的时候，hash码为8和9的元素被放到数组中的同一个位置形成链表，键低了查询效率，当hahs码和15-1(1110)进行&时，最后一位永远是0，这样0001，0011，0101，1001，1011，0111，1101这些位置永远不会被放置元素，这样会导致

  1. 空间浪费大1. 增加了碰撞的几率，减慢查询的效率
    当数组长度为时，的所有位都是1，如8-1=7即111，那么进行低位&运算时，值总与原来的hash值相同，降低了碰撞的概率

JDK1.8发生了哪些变化？

  1. 由数组+链表改为数组+链表+红黑树，当链表的长度超过8时，链表变为红黑树。为什么要这么改？我们知道链表的查找效率为O(n)，而红黑树的查找效率为O（logn），查找效率变高了。为什么不直接用红黑树？因为红黑树的查找效率虽然变高了，但是插入效率变低了，如果从一开始就用红黑树并不合适。从概率学的角度选了一个合适的临界值为81. 优化了hash算法1. 计算元素在新数组中位置的算法发生了变化，新算法通过新增位判断oldTable[i]应该放在newTable[i]还是newTable[i+oldTable.length]1. 头插法改为尾插法，扩容时链表没有发生倒置（避免形成死循环）

    HashMap在高并发下会发生什么问题？

  2. 多线程扩容，会让链表形成环，从而造成死循环1. 多线程put可能导致元素丢失

    如何避免HashMap在高并发下的问题？

  3. 使用ConcurrentHashMap1. 用Collections.synchronizedMap(hashMap)包装成同步集合
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