HashMap常见问题

智先森zhi
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HashMap常见问题

1. HashMap与HashTable的区别？

  • HashMap没有考虑同步，是线程不安全的；Hashtable使用了synchronized关键字，是线程安全的；
  • HashMap允许K/V都为null；后者K/V都不允许为null；
  • HashMap继承自AbstractMap类；而Hashtable继承自Dictionary类；

2. Put的实现原理

先判断Hashmap是否为空，为空就扩容，不为空计算出key的hash值i，然后看table[i]是否为空，为空就直接插入，不为空判断当前位置的key和table[i]是否相同，相同就覆盖，不相同就查看table[i]是否是红黑树节点，如果是的话就用红黑树直接插入键值对，如果不是开始遍历链表插入，如果遇到重复值就覆盖，否则直接插入，如果链表长度大于8，转为红黑树结构，执行完成后看size是否大于阈值threshold，大于就扩容，否则直接结束。

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
               boolean evict) {
    HashMap.Node<K,V>[] tab; HashMap.Node<K,V> p; int n, i;
    // 1.如果table为空或者长度为0，即没有元素，那么使用resize()方法扩容
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        n = (tab = resize()).length;
    // 2.计算插入存储的数组索引i，此处计算方法同 1.7 中的indexFor()方法
    // 如果数组为空，即不存在Hash冲突，则直接插入数组
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    // 3.插入时，如果发生Hash冲突，则依次往下判断
    else {
        HashMap.Node<K,V> e; K k;
        // a.判断table[i]的元素的key是否与需要插入的key一样，若相同则直接用新的value覆盖掉旧的value
        // 判断原则equals() - 所以需要当key的对象重写该方法
        if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            e = p;
        // b.继续判断：需要插入的数据结构是红黑树还是链表
        // 如果是红黑树，则直接在树中插入 or 更新键值对
        else if (p instanceof HashMap.TreeNode)
            e = ((HashMap.TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
        // 如果是链表，则在链表中插入 or 更新键值对
        else {
            // i .遍历table[i]，判断key是否已存在：采用equals对比当前遍历结点的key与需要插入数据的key
            //    如果存在相同的，则直接覆盖
            // ii.遍历完毕后任务发现上述情况，则直接在链表尾部插入数据
            //    插入完成后判断链表长度是否 > 8：若是，则把链表转换成红黑树
            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;
            }
        }
        // 对于i 情况的后续操作：发现key已存在，直接用新value覆盖旧value&返回旧value
        if (e != null) { // existing mapping for key
            V oldValue = e.value;
            if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                e.value = value;
            afterNodeAccess(e);
            return oldValue;
        }
    }
    ++modCount;
    // 插入成功后，判断实际存在的键值对数量size > 最大容量
    // 如果大于则进行扩容
    if (++size > threshold)
        resize();
    // 插入成功时会调用的方法（默认实现为空）
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}

WechatIMG166.png

3. HashMap的扩容操作是怎么实现的？

HashMap的扩容机制，Hashmap的扩容中主要进行两步，第一步把数组长度变为原来的两倍，第二部把旧数组的元素重新计算hash插入到新数组中，jdk8时，不用重新计算hash，只用看看原来的hash值新增的一位是零还是1，如果是1这个元素在新数组中的位置，是原数组的位置加原数组长度，如果是零就插入到原数组中。扩容过程第二部一个非常重要的方法是transfer方法，采用头插法，把旧数组的元素插入到新数组中。

/**
 * 该函数有2中使用情况：1.初始化哈希表；2.当前数组容量过小，需要扩容
 */
final Node<K,V>[] resize() {
    Node<K,V>[] oldTab = table;// 扩容前的数组（当前数组）
    int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;// 扩容前的数组容量（数组长度）
    int oldThr = threshold;// 扩容前数组的阈值
    int newCap, newThr = 0;

    if (oldCap > 0) {
        // 针对情况2：若扩容前的数组容量超过最大值，则不再扩容
        if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return oldTab;
        }
        // 针对情况2：若没有超过最大值，就扩容为原来的2倍（左移1位）
        else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
            newThr = oldThr << 1; // double threshold
    }

    // 针对情况1：初始化哈希表（采用指定或者使用默认值的方式）
    else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
        newCap = oldThr;
    else {               // zero initial threshold signifies using defaults
        newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
        newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
    }

    // 计算新的resize上限
    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];
    table = newTab;
    if (oldTab != null) {
        // 把每一个bucket都移动到新的bucket中去
        for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
            Node<K,V> e;
            if ((e = oldTab[j]) != null) {
                oldTab[j] = null;
                if (e.next == null)
                    newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                else if (e instanceof TreeNode)
                    ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                else { // preserve order
                    Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                    Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                    Node<K,V> next;
                    do {
                        next = e.next;
                        if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                            if (loTail == null)
                                loHead = e;
                            else
                                loTail.next = e;
                            loTail = e;
                        }
                        else {
                            if (hiTail == null)
                                hiHead = e;
                            else
                                hiTail.next = e;
                            hiTail = e;
                        }
                    } while ((e = next) != null);
                    if (loTail != null) {
                        loTail.next = null;
                        newTab[j] = loHead;
                    }
                    if (hiTail != null) {
                        hiTail.next = null;
                        newTab[j + oldCap] = hiHead;
                    }
                }
            }
        }
    }
    return newTab;
}

4. HashMap是怎么解决哈希冲突的？

  1. 使用链地址法（使用散列表）来链接拥有相同hash值的数据；
  2. 使用2次扰动函数（hash函数）来降低哈希冲突的概率，使得数据分布更平均；
  3. 引入红黑树进一步降低遍历的时间复杂度，使得遍历更快；

5. HashMap为什么不直接使用hashCode()处理后的哈希值直接作为table的下标？

目前(n - 1) & hash来确认下标

hashCode()方法返回的是int整数类型，其范围为-(2 ^ 31)~(2 ^ 31 - 1)，约有40亿个映射空间，而HashMap的容量范围是在16（初始化默认值）~2 ^ 30，HashMap通常情况下是取不到最大值的，并且设备上也难以提供这么多的存储空间，从而导致通过hashCode()计算出的哈希值可能不在数组大小范围内，进而无法匹配存储位置；

  • 解决方法

    HashMap自己实现了自己的hash()方法，通过两次扰动使得它自己的哈希值高低位自行进行异或运算，降低哈希碰撞概率也使得数据分布更平均；（两次就够了，已经达到了高位低位同时参与运算的目的；）

    在保证数组长度为2的幂次方的时候，使用hash()运算之后的值与运算（&）（数组长度 - 1）来获取数组下标的方式进行存储，这样一来是比取余操作更加有效率，二来也是因为只有当数组长度为2的幂次方时，h&(length-1)才等价于h%length，三来解决了“哈希值与数组大小范围不匹配”的问题；

6. HashMap大小为什么是2的幂次方？

  1. 提高运算速度

    只有当数组长度为2的幂次方时，h&(length-1)才等价于h%length，即实现了key的定位，2的幂次方也可以减少冲突次数，提高HashMap的查询效率；

  2. 增加散列度，降低冲突，较少内存碎片

    如果 length 为 2 的次幂 则 length-1 转化为二进制必定是 11111……的形式，在于 h 的二进制与操作效率会非常的快，而且空间不浪费；如果 length 不是 2 的次幂，比如 length 为 15，则 length - 1 为 14，对应的二进制为 1110，在于 h 与操作，最后一位都为 0 ，而 0001，0011，0101，1001，1011，0111，1101 这几个位置永远都不能存放元素了，空间浪费相当大，更糟的是这种情况中，数组可以使用的位置比数组长度小了很多，这意味着进一步增加了碰撞的几率，减慢了查询的效率！这样就会造成空间的浪费。

7. HashMap在JDK1.7和JDK1.8中有哪些不同？

不同JDK 1.7JDK 1.8
存储结构数组 + 链表数组 + 链表 + 红黑树
初始化方式单独函数：inflateTable()直接集成到了扩容函数resize()中
hash值计算方式扰动处理 = 9次扰动 = 4次位运算 + 5次异或运算扰动处理 = 2次扰动 = 1次位运算 + 1次异或运算
存放数据的规则无冲突时，存放数组；冲突时，存放链表无冲突时，存放数组；冲突 & 链表长度 < 8：存放单链表；冲突 & 链表长度 > 8：树化并存放红黑树
插入数据方式头插法（先讲原位置的数据移到后1位，再插入数据到该位置）尾插法（直接插入到链表尾部/红黑树）
扩容后存储位置的计算方式全部按照原来方法进行计算（即hashCode ->> 扰动函数 ->> (h&length-1)）按照扩容后的规律计算（即扩容后的位置=原位置 or 原位置 + 旧容量）

8. 为什么HashMap中String、Integer这样的包装类适合作为K？

String、Integer等包装类的特性能够保证Hash值的不可更改性和计算准确性，能够有效的减少Hash碰撞的几率。

  1. 都是final类型，即不可变性，保证key的不可更改性，不会存在获取hash值不同的情况
  2. 内部已重写了equals()、hashCode()等方法，遵守了HashMap内部的规范（不清楚可以去上面看看putValue的过程），不容易出现Hash值计算错误的情况；

如果需要自己的ibject，则重写hashCode()和equals()方法

  1. 重写hashCode()是因为需要计算存储数据的存储位置，需要注意不要试图从散列码计算中排除掉一个对象的关键部分来提高性能，这样虽然能更快但可能会导致更多的Hash碰撞；

  2. 重写equals()方法，需要遵守自反性、对称性、传递性、一致性以及对于任何非null的引用值x，x.equals(null)必须返回false的这几个特性，目的是为了保证key在哈希表中的唯一性；

9. ConcurrentHashMap和Hashtable的区别？

ConcurrentHashMap 结合了 HashMap 和 HashTable 二者的优势。HashMap 没有考虑同步，HashTable 考虑了同步的问题。但是 HashTable 在每次同步执行时都要锁住整个结构。 ConcurrentHashMap 锁的方式是稍微细粒度的。

  1. JDK 1.7 中使用分段锁（ReentrantLock + Segment + HashEntry），相当于把一个 HashMap 分成多个段，每段分配一把锁，这样支持多线程访问。锁粒度：基于 Segment，包含多个 HashEntry。
  2. JDK 1.8 中使用 CAS + synchronized + Node + 红黑树。锁粒度：Node（首结点）（实现 Map.Entry<K,V>）。锁粒度降低了。

10. 为什么要使用异或运算？

保证了对象的hashcode的32位值只要有一位发生变化，整个hash() 返回值就会变化，尽可能减少碰撞。

11. 为什么jdk8使用红黑树？

因为JDK7中是用数组+链表来作为底层的数据结构的，但是如果数据量较多，或者hash算法的散列性不够，可能导致链表上的数据太多，导致链表过长，考虑一种极端情况：如果hash算法很差，所有的元素都在同一个链表上。那么在查询数据的时候的时间复杂度和链表查询的时间复杂度差不多是一样的，我们知道链表的一个优点是插入快，但是查询慢，所以如果HashMap中出现了很长的链表结构会影响整个HashMap的查询效率，我们使用HashMap时插入和查询的效率是都要具备的，而红黑树的插入和查询效率处于完全平衡二叉树和链表之间，所以使用红黑树是比较合适的。

12. 在使用HashMap的过程中我们应该注意些什么问题?

  1. HashMap的扩容机制是很影响效率的，所以如果事先能确定有多少个元素需要存储，那么建议在初始化HashMap时对数组的容量也进行初始化，防止扩容。
  2. HashMap中使用了对象的hashcode方法，而且很关键，所以再重写对象的equals时建议一定要重写hashcode方法。
  3. 如果是用对象作为HashMap的key，那么请将对象设置为final，以防止对象被重新赋值，因为一旦重新赋值其实就代表了一个新对象作为了key，因为两个对象的hashcode可能不同。

13. 那 HashMap 怎么设定初始容量大小的吗？

一般如果new HashMap() 不传值，默认大小是 16，负载因子是 0.75， 如果自己传入初始大小 k，初始化大小为 大于 k 的 2 的整数次方，例如如果传 10，大小为 16。

static final int tableSizeFor(int cap) {
  int n = cap - 1;
  n |= n >>> 1;
  n |= n >>> 2;
  n |= n >>> 4;
  n |= n >>> 8;
  n |= n >>> 16;
  return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}

14. Hash() 函数以及怎么确认下标的位置

目前(n - 1) & hash来确认下标位置

hash 函数是先拿到通过 key 的 hashcode，是 32 位的 int 值，然后让 hashcode 的高 16 位和低 16 位进行异或操作。

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