让我再撸一次HashMap

引言

由于近期忙着搬家,又偷懒了几个礼拜!

其实我很早以前就想写一篇关于HashMap的面试专题。对于JAVA求职者来说,HashMap可谓是集合类的重中之重,甚至你在复习的时候,其他集合类都不用看,专攻HashMap即可。

然而,鉴于网上大部分的关于HashMap的面试方向文章,烟哥看过后都不是太满意。因此,斗胆尝试也写一篇关于HashMap的面试专题文章!

正文

(1)HashMap的实现原理?

此题可以组成如下连环炮来问

你看过HashMap源码嘛,知道原理嘛?

为什么用数组+链表?

hash冲突你还知道哪些解决办法?

我用LinkedList代替数组结构可以么?

既然是可以的,为什么HashMap不用LinkedList,而选用数组?

你看过HashMap源码嘛,知道原理嘛?

针对这个问题,嗯,当然是必须看过HashMap源码。至于原理,下面那张图很清楚了:

HashMap采用Entry数组来存储key-value对,每一个键值对组成了一个Entry实体,Entry类实际上是一个单向的链表结构,它具有Next指针,可以连接下一个Entry实体。

只是在JDK1.8中,链表长度大于8的时候,链表会转成红黑树!

为什么用数组+链表?

数组是用来确定桶的位置,利用元素的key的hash值对数组长度取模得到.

链表是用来解决hash冲突问题,当出现hash值一样的情形,就在数组上的对应位置形成一条链表。

:这里的hash值并不是指hashcode,而是将hashcode高低十六位异或过的。至于为什么要这么做,继续往下看。

hash冲突你还知道哪些解决办法?

比较出名的有四种(1)开放定址法(2)链地址法(3)再哈希法(4)公共溢出区域法

大家有兴趣拓展的,自己去搜一下就懂了,这个就不拓展了!

我用LinkedList代替数组结构可以么?

这里我稍微说明一下,此题的意思是,源码中是这样的

Entry就是一个链表节点。

那我用下面这样表示

是否可行?

答案很明显,必须是可以的。

既然是可以的,为什么HashMap不用LinkedList,而选用数组?

因为用数组效率最高!

在HashMap中,定位桶的位置是利用元素的key的哈希值对数组长度取模得到。此时,我们已得到桶的位置。显然数组的查找效率比LinkedList大。

那ArrayList,底层也是数组,查找也快啊,为啥不用ArrayList?

(烟哥写到这里的时候,不禁觉得自己真有想法,自己把自己问死了,还好我灵机一动想出了答案)

因为采用基本数组结构,扩容机制可以自己定义,HashMap中数组扩容刚好是2的次幂,在做取模运算的效率高。

而ArrayList的扩容机制是1.5倍扩容,那ArrayList为什么是1.5倍扩容这就不在本文说明了。

(2)HashMap在什么条件下扩容?

此题可以组成如下连环炮来问

HashMap在什么条件下扩容?

为什么扩容是2的n次幂?

为什么为什么要先高16位异或低16位再取模运算?

HashMap在什么条件下扩容?

如果bucket满了(超过load factor*current capacity),就要resize。

load factor为0.75,为了最大程度避免哈希冲突

current capacity为当前数组大小。

为什么扩容是2的次幂?

HashMap为了存取高效,要尽量较少碰撞,就是要尽量把数据分配均匀,每个链表长度大致相同,这个实现就在把数据存到哪个链表中的算法;这个算法实际就是取模,hash%length。

但是,大家都知道这种运算不如位移运算快。

因此,源码中做了优化hash&(length-1)。

也就是说hash%length==hash&(length-1)

那为什么是2的n次方呢?

因为2的n次方实际就是1后面n个0,2的n次方-1,实际就是n个1。

例如长度为8时候,3&(8-1)=3 2&(8-1)=2 ,不同位置上,不碰撞。

而长度为5的时候,3&(5-1)=0 2&(5-1)=0,都在0上,出现碰撞了。

所以,保证容积是2的n次方,是为了保证在做(length-1)的时候,每一位都能&1 ,也就是和1111……1111111进行与运算。

为什么为什么要先高16位异或低16位再取模运算?

我先晒一下,jdk1.8里的hash方法。1.7的比较复杂,咱就不看了。

hashmap这么做,只是为了降低hash冲突的几率。

打个比方,当我们的length为16的时候,哈希码(字符串“abcabcabcabcabc”的key对应的哈希码)对(16-1)与操作,对于多个key生成的hashCode,只要哈希码的后4位为0,不论不论高位怎么变化,最终的结果均为0。

如下图所示

而加上高16位异或低16位的“扰动函数”后,结果如下

(3)讲讲hashmap的get/put的过程?

此题可以组成如下连环炮来问

知道hashmap中put元素的过程是什么样么?

知道hashmap中get元素的过程是什么样么?

你还知道哪些hash算法?

说说String中hashcode的实现?(此题很多大厂问过)

知道hashmap中put元素的过程是什么样么?

对key的hashCode()做hash运算,计算index;

如果没碰撞直接放到bucket里;

如果碰撞了,以链表的形式存在buckets后;

如果碰撞导致链表过长(大于等于TREEIFY_THRESHOLD),就把链表转换成红黑树(JDK1.8中的改动);

如果节点已经存在就替换old value(保证key的唯一性)

如果bucket满了(超过load factor*current capacity),就要resize。

知道hashmap中get元素的过程是什么样么?

对key的hashCode()做hash运算,计算index;

如果在bucket里的第一个节点里直接命中,则直接返回;

如果有冲突,则通过key.equals(k)去查找对应的Entry;

若为树,则在树中通过key.equals(k)查找,O(logn);

若为链表,则在链表中通过key.equals(k)查找,O(n)。

你还知道哪些hash算法?

先说一下hash算法干嘛的,Hash函数是指把一个大范围映射到一个小范围。把大范围映射到一个小范围的目的往往是为了节省空间,使得数据容易保存。

比较出名的有MurmurHash、MD4、MD5等等

说说String中hashcode的实现?(此题频率很高)

String类中的hashCode计算方法还是比较简单的,就是以31为权,每一位为字符的ASCII值进行运算,用自然溢出来等效取模。

哈希计算公式可以计为s[0]31^(n-1) + s[1]31^(n-2) + … + s[n-1]

那为什么以31为质数呢?

主要是因为31是一个奇质数,所以,这种位移与减法结合的计算相比一般的运算快很多。

(4)为什么hashmap的在链表元素数量超过8时改为红黑树?

此题可以组成如下连环炮来问

知道jdk1.8中hashmap改了啥么?

为什么在解决hash冲突的时候,不直接用红黑树?而选择先用链表,再转红黑树?

我不用红黑树,用二叉查找树可以么?

那为什么阀值是8呢?

当链表转为红黑树后,什么时候退化为链表?

知道jdk1.8中hashmap改了啥么?

数组+链表的结构改为数组+链表+红黑树

优化了高位运算的hash算法:h^(h>>>16)

扩容后,元素要么是在原位置,要么是在原位置再移动2次幂的位置,且链表顺序不变。

最后一条是重点,因为最后一条的变动,hashmap在1.8中,不会在出现死循环问题。

为什么在解决hash冲突的时候,不直接用红黑树?而选择先用链表,再转红黑树?

因为红黑树需要进行左旋,右旋,变色这些操作来保持平衡,而单链表不需要。

当元素小于8个当时候,此时做查询操作,链表结构已经能保证查询性能。当元素大于8个的时候,此时需要红黑树来加快查询速度,但是新增节点的效率变慢了。

因此,如果一开始就用红黑树结构,元素太少,新增效率又比较慢,无疑这是浪费性能的。

我不用红黑树,用二叉查找树可以么?

可以。但是二叉查找树在特殊情况下会变成一条线性结构(这就跟原来使用链表结构一样了,造成很深的问题),遍历查找会非常慢。

那为什么阀值是8呢?

不知道,等jdk作者来回答。

这道题,网上能找到的答案都是扯淡。

我随便贴一个牛客网的答案,如下图所示

看出bug没?交点是6.64?交点分明是4,好么。

log4=2,4/2=2。

jdk作者选择8,一定经过了严格的运算,觉得在长度为8的时候,与其保证链表结构的查找开销,不如转换为红黑树,改为维持其平衡开销。

当链表转为红黑树后,什么时候退化为链表?

为6的时候退转为链表。中间有个差值7可以防止链表和树之间频繁的转换。假设一下,如果设计成链表个数超过8则链表转换成树结构,链表个数小于8则树结构转换成链表,如果一个HashMap不停的插入、删除元素,链表个数在8左右徘徊,就会频繁的发生树转链表、链表转树,效率会很低。

(5)HashMap的并发问题?

此题可以组成如下连环炮来问

HashMap在并发编程环境下有什么问题啊?

在jdk1.8中还有这些问题么?

你一般怎么解决这些问题的?

HashMap在并发编程环境下有什么问题啊?

(1)多线程扩容,引起的死循环问题

(2)多线程put的时候可能导致元素丢失

(3)put非null元素后get出来的却是null

在jdk1.8中还有这些问题么?

在jdk1.8中,死循环问题已经解决。其他两个问题还是存在。

你一般怎么解决这些问题的?

比如ConcurrentHashmap,Hashtable等线程安全等集合类。

(6)你一般用什么作为HashMap的key?

此题可以组成如下连环炮来问

健可以为Null值么?

你一般用什么作为HashMap的key?

我用可变类当HashMap的key有什么问题?

如果让你实现一个自定义的class作为HashMap的key该如何实现?

健可以为Null值么?

必须可以,key为null的时候,hash算法最后的值以0来计算,也就是放在数组的第一个位置。

你一般用什么作为HashMap的key?

一般用Integer、String这种不可变类当HashMap当key,而且String最为常用。

(1)因为字符串是不可变的,所以在它创建的时候hashcode就被缓存了,不需要重新计算。这就使得字符串很适合作为Map中的键,字符串的处理速度要快过其它的键对象。这就是HashMap中的键往往都使用字符串。

(2)因为获取对象的时候要用到equals()和hashCode()方法,那么键对象正确的重写这两个方法是非常重要的,这些类已经很规范的覆写了hashCode()以及equals()方法。

我用可变类当HashMap的key有什么问题?

hashcode可能发生改变,导致put进去的值,无法get出,如下所示

输出值如下

如果让你实现一个自定义的class作为HashMap的key该如何实现?

此题考察两个知识点

重写hashcode和equals方法注意什么?

如何设计一个不变类

针对问题一,记住下面四个原则即可

(1)两个对象相等,hashcode一定相等

(2)两个对象不等,hashcode不一定不等

(3)hashcode相等,两个对象不一定相等

(4)hashcode不等,两个对象一定不等

针对问题二,记住如何写一个不可变类

(1)类添加final修饰符,保证类不被继承。

如果类可以被继承会破坏类的不可变性机制,只要继承类覆盖父类的方法并且继承类可以改变成员变量值,那么一旦子类以父类的形式出现时,不能保证当前类是否可变。

(2)保证所有成员变量必须私有,并且加上final修饰

通过这种方式保证成员变量不可改变。但只做到这一步还不够,因为如果是对象成员变量有可能再外部改变其值。所以第4点弥补这个不足。

(3)不提供改变成员变量的方法,包括setter

避免通过其他接口改变成员变量的值,破坏不可变特性。

(4)通过构造器初始化所有成员,进行深拷贝(deep copy)

如果构造器传入的对象直接赋值给成员变量,还是可以通过对传入对象的修改进而导致改变内部变量的值。例如:

这种方式不能保证不可变性,myArray和array指向同一块内存地址,用户可以在ImmutableDemo之外通过修改array对象的值来改变myArray内部的值。

为了保证内部的值不被修改,可以采用深度copy来创建一个新内存保存传入的值。正确做法:

(5)在getter方法中,不要直接返回对象本身,而是克隆对象,并返回对象的拷贝

这种做法也是防止对象外泄,防止通过getter获得内部可变成员对象后对成员变量直接操作,导致成员变量发生改变。

总结

这篇文章能概括大部分HashMap的面试题了,希望大家有所收获!

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