HashMap30连问，彻底搞懂HashMap

文章目录

  • 一、背景知识
    • 1、什么是Map？
    • 2、什么是Hash？
    • 3、什么是哈希表？
    • 4、什么是HashMap?
    • 5、如何使用HashMap？
    • 6、HashMap有哪些核心参数？
    • 7、HashMap与HashTable的对比？
    • 8、HashMap和HashSet的区别？
    • 9、什么是LinkedHashMap和TreeMap？
  • 二、HashMap的实现原理
    • 10、HashMap的数据结构？
    • 11、HashMap put元素的原理？
    • 12、HashMap get元素的原理？
  • 三、红黑树
    • 13、为什么要将链表转化为红黑树？
    • 14、链表元素超过8转化为红黑树，那为什么不是红黑树元素小于等于8转化为链表，而是小于等于6？
    • 15、链表元素超过8是否一定转化为红黑树？
  • 三、hash计算和index计算
    • 16、HashMap如何计算K的hash值？
    • 17、为什么不用K的hashCode值直接作为hash值，而是将hashCode值进行无符号右移16位，再异或的复杂操作？
    • 18、HashMap如何计算K的数组下标？
  • 四、HashMap的扩容
    • 19、HashMap什么时候扩容？
    • 20、为什么HashMap的容量必须是2的幂？
    • 21、JDK7如何实现HashMap的扩容？
    • 22、1.7为什么采用头插法？
    • 23、头插法为什么会造成HashMap的死循环？
    • 24、JDK8做了哪些改进，避免死循环？
    • 25、JDK8扩容的优化点？
    • 26、HashMap线程安全吗？
    • 27、什么是ConcurrentHashMap？
    • 28、ConcurrentHashMap JDK7的实现原理？
    • 29、ConcurrentHashMap JDK8的实现原理？
    • 30、JDK8对HashMap做了哪些优化？

一、背景知识

面试过程中面试官的死亡连：你说你看过很多源码是吗？那你说说hashmap的底层实现？什么条件下会自动扩容的?为什么要有 红黑树?什么条件下会有?扩容因子为什么是0.75有研究过吗? 下来就来彻底了解一下HashMap吧！

1、什么是Map？

Map是一种集合接口，提供了一系列操作K-V的方法，HashMap、HashTable都是Map接口的实现类。

2、什么是Hash？

  • Hash 音译为 “哈希” ，也叫 “散列” 。

  • 哈希的本质是通过哈希函数对原始数据进行有损压缩，得到固定长度的输出，即哈希值，通过哈希值唯一标识原始数据。

  • 若不同的原始数据被有损压缩后产生了相同的结果，该现象称为哈希碰撞。

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3、什么是哈希表？

哈希表是一种数据结构，它可以提供较高的存取效率。

【原理】

1、向哈希表插入元素时，会先根据哈希函数计算K对应的存储位置，再put元素；

2、查询时，根据哈希函数计算K对应的存储位置，直接访存储位置获取元素，查询效率高。

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【基本概念】

4、什么是HashMap?

HashMap继承了AbstractMap类，是Map接口的一种实现，用于存储K-V数据结构的元素，底层通过哈希表实现了较快的存取效率。

5、如何使用HashMap？

Map map = new HashMap(); // 创建HashMap对象
map.put("数学", 91 ); // 存放元素
map.put("语文", 92 ); // 存放元素
map.put("物理", 94 ); // 存放元素
int score = map.get("语文"); // 获取元素值
for(Object key : map.keySet()) { // 遍历元素System.out.println("科目"key + "的成绩是" + map.get(key));
}
map.remove("物理"); // 删除元素

6、HashMap有哪些核心参数？

1、默认初始化容量

static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // 16

2、最大容量

static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

3、默认负载因子

static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

4、树形化阈值

static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;

5、解树形化阈值

static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;

7、HashMap与HashTable的对比？

【相同点】

都用于存储K-V元素

【不同点】

  1. HashMap可接受null键值和值，Hashtable则不能；
  2. HashMap线程不安全，HashTable线程安全，方法都加了synchronized；
  3. HashMap继承AbstractMap类，HashTable继承Dictionary类；
  4. HashMap的迭代器(Iterator)是fail-fast迭代器，HashTable的enumerator迭代器不是fail-fast，所以遍历时如果有线程改变了HashMap（增加或者移除元素），将会抛出
    ConcurrentModificationException。
  5. HashMap默认容量16，扩容为old2；HashTable默认容量11，扩容为old2+1。

8、HashMap和HashSet的区别？

HashSet实现Set接口，不允许集合中有重复值；HashMap实现Map接口，存储键值对，K不允许重复。

9、什么是LinkedHashMap和TreeMap？

  • LinkedHashMap内部维护一个链表，存储了K的插入顺序，迭代时按照插入顺序迭代。

  • TreeMap底层是一颗红黑树，containsKey、get、put、remove方法的时间复杂度都是
    log(n)，按K的自然顺序排列（如整数的从小到大），也可指定Comparator比较函数。

二、HashMap的实现原理

10、HashMap的数据结构？

JDK1.7及之前，HashMap的内部数据结构是数组+链表。

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JDK1.8开始，当链表长度 ＞ 8时会转化为红黑树，当红黑树元素个数 ≤ 6时会转化为链表。

11、HashMap put元素的原理？

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12、HashMap get元素的原理？

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三、红黑树

13、为什么要将链表转化为红黑树？

链表长度太长时，红黑树的存取效率比链表高。

14、链表元素超过8转化为红黑树，那为什么不是红黑树元素小于等于8转化为链表，而是小于等于6？

如果链表和红黑树互相转换的阈值固定是8，当HashMap元素个数在8左右变更时，

会导致树和链表数据结构的频繁变更，降低性能，所以中间预留buffer。

15、链表元素超过8是否一定转化为红黑树？

链表长度大于8 && 数组长度大于64，才会树形化，否则只是resize扩容。

为什么呢？因为数组小而链表长的场景，将链表转换为树治标不治本，应优先扩容数组。

三、hash计算和index计算

16、HashMap如何计算K的hash值？

hash值 = (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);

17、为什么不用K的hashCode值直接作为hash值，而是将hashCode值进行无符号右移16位，再异或的复杂操作？

Object的hashCode()函数返回的值是int型，值范围从-2147483648到2147483648，转化为2进制有32位，如、1011000110101110011111010011011。

使用右移、异或的操作，可以充分利用K的hashCode值高低位不同的特性，以减少hash碰撞的可能，提升查询效率。

18、HashMap如何计算K的数组下标？

index = h & (length-1)

四、HashMap的扩容

19、HashMap什么时候扩容？

  • 当元素数量超过阈值时扩容，阈值 = 数组容量 * 加载因子。
  • 数组容量默认16，加载因子默认0.75，所以默认阈值12。
  • 容量上限为1 << 30

20、为什么HashMap的容量必须是2的幂？

index = h & (length-1)，2的幂次方-1都是1，可以充分利用高低位特点，减少hash冲突。

21、JDK7如何实现HashMap的扩容？

源码、

void resize(int newCapacity) {Entry[] oldTable = table;int oldCapacity = oldTable.length;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);
}void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {int newCapacity = newTable.length;for (Entry<K,V> e : table) {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;}}
}

不想看源码 ？直接看我整理的简单流程图

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22、1.7为什么采用头插法？

刚添加的元素，被访的概率大。

23、头插法为什么会造成HashMap的死循环？

【step1】现有HashMap，table大小为2，里面有3个元素在index1处。

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【step2】有2个线程同时触发了扩容，但线程2刚启动扩容就被挂起，此时线程2内e指向了key(A)，其next指向了key(B)，而线程1完成了扩容。

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【step3】线程2被调度回来，线程2内当前待调整元素e指向A，所以头插A。此时e.next=B，待调整B。

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【step4】e = next指向B，所以头插B，此时e.next = table[i] ，本来应该指向C，但由于线程1已经完成了扩容，所以又指向了A。

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【step5】头插A，形成环。

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24、JDK8做了哪些改进，避免死循环？

1、链表太长转换为红黑树，减少死循环发生的可能；

2、1.8使用尾插法，在扩容时会保持链表元素原来的顺序，解决了死循环题，但解决不了线程不安全题。

25、JDK8扩容的优化点？

1、头插法改为尾插法，解决链表死循环题。

2、扩容的效率更高

扩容前index = hash&(oldTable.length-1)，
扩容后index = hash&(oldTable.length*2-1)

唯一的区别是 length -1，多了一个高位1参与运算，如果hash对应的位置是0，则Node的index没变，如果hash对应位置是1，则newIndex =oldIndex + oldLength。

即得出结论、扩容后，Node的位置要么不变，要么移动odLength。

因此，在扩容时，不需要重新计算元素的hash了，只需要通过 if ((e.hash & oldCap) == 0)
判断最高位是1还是0就可以确定index，效率更高。

【线程安全】

26、HashMap线程安全吗？

HashMap非线程安全，线程安全的Map可以使用ConcurrentHashmap。

27、什么是ConcurrentHashMap？

HashMap线程不安全，多线程环境可以使用Collections.synchronizedMap、HashTable实现线程安全，但性能不佳。

ConurrentHashMap比较适合高并发场景使用。

28、ConcurrentHashMap JDK7的实现原理？

1、数据结构、Segment数组+HashEntry链表数组

ConcurrentHashMap由一个Segment数组构成（默认长度16），Segment继承自ReentrantLock，所以加锁时Segment数组元素之间相互不影响，所以可实现分段加锁，性能高。

Segment本身是一个HashEntry链表数组，所以每个Segment相当于是一个HashMap

。

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2、put元素原理

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3、get元素原理

「」迎接HashMap 30连，彻底搞懂HashMap

get()操作不需要加锁，是因为HashEntry的元素val和指针next都使用volatile修饰，在多线程环境下，线程A修改Node的val或新增节点时，对线程B都是可见的。

29、ConcurrentHashMap JDK8的实现原理？

1、数据结构、Node数组+链表/红黑树，类似1.8的HashMap。

摒弃Segment，使用Node数组+链表+红黑树的数据结构。

桶中的结构可能是链表，也可能是红黑树，红黑树是为了提高查找效率。

并发控制使用Synchronized和CAS来操作，整体看起来像是线程安全的JDK8 HashMap。

30连，彻底搞懂HashMap

2、存放元素原理

「」迎接HashMap 30连，彻底搞懂HashMap

3、获取元素原理

计算hash - 计算数组下标 - 遍历节点

30、JDK8对HashMap做了哪些优化？

1、引入红黑树 ，提升元素获取速度。

2、头插法改为尾插法，解决链表死循环题。

3、扩容的效率更高

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