HashMap面试题
2021-09-07 本文已影响0人
h2coder
HashMap使用率非常高，也是是面试经常被问到的，例如，HashMap的底层实现，JDK1.8做了哪些优化等
HashMap 底层是如何实现的？在 JDK 1.8 中它都做了哪些优化？
- JDK7的HashMap使用数组加链表来实现，JDK8增加了红黑树结构，当链表的长度大于8并且容量大于64时，链表会转化为红黑树
数组中的元素，被称为哈希桶，它的结构如下
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
//哈希值
final int hash;
//唯一键
final K key;
//值
V value;
//下一个节点元素
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;
}
}
每个哈希桶包含了4个字段，分别是hash、key、value、next，其中next代表下一个节点元素
JDK1.8之所以增加红黑树结构是因为链表一旦过长，会严重影响HashMap的性能，而红黑树具有快速增删查改的特点，可以解决链表过长操作慢的问题
常见HashMap面试题
- JDK 1.8 HashMap 扩容时做了哪些优化？
- 加载因子为什么是 0.75？
- 当有哈希冲突时，HashMap 是如何查找并确认元素的？
- HashMap 源码中有哪些重要的方法？
- HashMap 是如何导致死循环的？
HashMap 源码分析
HashMap包含以下属性
//HashMap 初始化长度
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
//HashMap 最大长度
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; // 1073741824
//默认的加载因子 (扩容因子)
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
//当链表长度大于此值且容量大于 64 时
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
//转换链表的临界值，当元素小于此值时，会将红黑树结构转换成链表结构
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
//最小树容量
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY;
什么是加载因子？加载因子为什么是 0.75？
加载因子也称为扩容因子或负载因子，用于判断什么时候进行扩容，例如加载因子是0.5，HashMap的初始容量是16，那么当HashMap中有16 * 0.5 = 8个元素时，HashMap就会进行扩容
那为什么加载因子为0.75，而不是0.5或1.0呢？
答：其实出于容量和性能平衡的结果，以及HashMap的容量有一个固定的要求，必须是2的幂
- 当加载因子设置得比较大时，扩容门槛就被提高了，扩容发生的频率比较低，占用的空间比较小，但发生Hash冲突的几率就会提升，因为需要更加复杂的数据结构来存储，这样对元素的操作时间就会增加，运行效率就会降低
- 而加载因子设置得比较小时，扩容的门槛会比较低，因此会占用更多的空间，此时存储的元素会比较稀疏，发生哈希冲突的可能性就比较小，因此操作的性能会比较高
- HashMap的容量有一个固定的要求，必须是2的幂，如果负载因子是3 / 4 = 0.75的话，那么和容量的乘积的结果是一个整数
所以综合以上2种情况，加载因子取了一个0.5 和 0.75的平均数0.75作为加载因子
HashMap中几个重要的方法
HashMap中有3个重要的方法，查询、新增和数据扩容，先来看HashMap的get()获取方法
public V get(Object key) {
Node<K,V> e;
//对 key 进行哈希操作
return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}
final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
//非空判断
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
//判断第一个元素是否是要查询的元素
if (first.hash == hash && // always check first node
((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return first;
//下一个节点非空判断
if ((e = first.next) != null) {
//如果第一节点是树结构，则使用 getTreeNode 直接获取相应的数据
if (first instanceof TreeNode)
return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
do { //非树结构，循环节点判断
//hash 相等并且 key 相同，则返回此节点
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
return null;
}
可以看到，当发生哈希冲突时，HashMap会判断key是否相等来判断查找到的元素是否是我们需要的元素（Key是唯一的，hash不一定是唯一），接下来看put()新增方法
public V put(K key, V value) {
//对 key 进行哈希操作
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
//哈希表为空则创建表
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
//根据 key 的哈希值计算出要插入的数组索引 i
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
//如果 table[i] 等于 null，则直接插入
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
Node<K,V> e; K k;
//如果 key 已经存在了，直接覆盖 value
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
//如果 key 不存在，判断是否为红黑树
else if (p instanceof TreeNode)
//红黑树直接插入键值对
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
//为链表结构，循环准备插入
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
//下一个元素为空时
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null);
//转换为红黑树进行处理
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
//key 已经存在直接覆盖 value
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;
//超过最大容量，扩容
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
接下来是HashMap的扩容方法
final Node<K,V>[] resize() {
//扩容前的数组
Node<K,V>[] oldTab = table;
//扩容前的数组的大小和阈值
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
int oldThr = threshold;
//预定义新数组的大小和阈值
int newCap, newThr = 0;
if (oldCap > 0) {
//超过最大值就不再扩容了
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
//扩大容量为当前容量的两倍，但不能超过 MAXIMUM_CAPACITY
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}
//当前数组没有数据，使用初始化的值
else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
newCap = oldThr;
else { // zero initial threshold signifies using defaults
// 如果初始化的值为 0，则使用默认的初始化容量
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
//如果新的容量等于 0
if (newThr == 0) {
float ft = (float)newCap * loadFactor;
newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
(int)ft : Integer.MAX_VALUE);
}
threshold = newThr;
@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
//开始扩容，将新的容量赋值给 table
table = newTab;
//原数据不为空，将原数据复制到新 table 中
if (oldTab != null) {
//根据容量循环数组，复制非空元素到新 table
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) {
oldTab[j] = null;
//如果链表只有一个，则进行直接赋值
if (e.next == null)
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
else if (e instanceof TreeNode)
//红黑树相关的操作
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
else { // preserve order
//链表复制，JDK 1.8 扩容优化部分
Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
Node<K,V> next;
do {
next = e.next;
//原索引
if ((e.hash & oldCap) == 0) {
if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
}
// 原索引 + oldCap
else {
if (hiTail == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
}
} while ((e = next) != null);
//将原索引放到哈希桶中
if (loTail != null) {
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
//将原索引 + oldCap 放到哈希桶中
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
return newTab;
}
可以看出，JDK 1.8 在扩容时并没有像 JDK 1.7 那样，重新计算每个元素的哈希值，而是通过高位运算（e.hash & oldCap）来确定元素是否需要移动，比如 key1 的信息如下：
- key1.hash = 10 0000 1010
- oldCap = 16 0001 0000
使用 e.hash & oldCap 得到的结果，高一位为 0，当结果为 0 时表示元素在扩容时位置不会发生任何变化，而 key 2 信息如下：
- key2.hash = 10 0001 0001
- oldCap = 16 0001 0000
这时候得到的结果，高一位为 1，当结果为 1 时，表示元素在扩容时位置发生了变化，新的下标位置等于原下标位置 + 原数组长度
HashMap 死循环分析
以 JDK 1.7 为例，假设 HashMap 默认大小为 2，原本 HashMap 中有一个元素 key(5)，我们再使用两个线程：t1 添加元素 key(3)，t2 添加元素 key(7)，当元素 key(3) 和 key(7) 都添加到 HashMap 中之后，线程 t1 在执行到 Entry<K,V> next = e.next; 时，交出了 CPU 的使用权，源码如下：
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; //线程一执行此处
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;
}
}
}
那么此时线程 t1 中的 e 指向了 key(3)，而 next 指向了 key(7) ；之后线程 t2 重新 rehash 之后链表的顺序被反转，链表的位置变成了 key(5) → key(7) → key(3)，其中 “→” 用来表示下一个元素。
当 t1 重新获得执行权之后，先执行 newTalbe[i] = e 把 key(3) 的 next 设置为 key(7)，而下次循环时查询到 key(7) 的 next 元素为 key(3)，于是就形成了 key(3) 和 key(7) 的循环引用，因此就导致了死循环的发生
当然发生死循环的原因是 JDK 1.7 链表插入方式为首部倒序插入，这个问题在 JDK 1.8 得到了改善，变成了尾部正序插入
有人曾经把这个问题反馈给了 Sun 公司，但 Sun 公司认为这不是一个问题，因为 HashMap 本身就是非线程安全的，如果要在多线程下，建议使用 ConcurrentHashMap 替代，但这个问题在面试中被问到的几率依然很大
