HashMap复习精讲

深藏阁楼爱情的钟 2022-10-27 01:55 212阅读 0赞

## 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:  
![25ae04f7fbd68d78bedcbe7e79f710be.png][]  
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。

`ps`: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

`ps:`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[] table = new Entry[capacity];

`ps：`Entry就是一个链表节点。  
那我用下面这样表示

List<Entry> table = new LinkedList<Entry>();

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。  
![34a061d2732a1ff9432c61d252ef2f31.png][]  
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  
![39b7d62b4b4bc7799bff637683cdf3fd.png][]  
而加上高16位异或低16位的“扰动函数”后，结果如下  
![0c608653f91dfe6509743b3feb8f41f0.png][]  
可以看到: 扰动函数优化前：1954974080 % 16 = 1954974080 & (16 - 1) = 0 扰动函数优化后：1955003654 % 16 = 1955003654 & (16 - 1) = 6 很显然，减少了碰撞的几率。

### (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)*

public int hashCode() {
        int h = hash;
        if (h == 0 && value.length > 0) {
            char val[] = value;
    
            for (int i = 0; i < value.length; i++) {
                h = 31 * h + val[i];
            }
            hash = h;
        }
        return h;
    }

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`31*i=32*i-i=(i<<5)-i`，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?*

*  由**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  
![fd8c2fc5af8f5263fc59de24b1ab88c1.png][]

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。  
![c35e681ddfd51f29c60b4e887051b1ca.png][]

*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

HashMap<List<String>, Object> changeMap = new HashMap<>();
    List<String> list = new ArrayList<>();
    list.add("hello");
    Object objectValue = new Object();
    changeMap.put(list, objectValue);
    System.out.println(changeMap.get(list));
    list.add("hello world");//hashcode发生了改变
    System.out.println(changeMap.get(list));

输出值如下

java.lang.Object@74a14482
    null

*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：

public final class ImmutableDemo {  
        private final int[] myArray;  
        public ImmutableDemo(int[] array) {  
            this.myArray = array; // wrong  
        }  
    }

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：

public final class MyImmutableDemo {  
        private final int[] myArray;  
        public MyImmutableDemo(int[] array) {  
            this.myArray = array.clone();   
        }   
    }

(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！

作者：孤独烟 出处：[ http://rjzheng.cnblogs.com/][http_rjzheng.cnblogs.com]

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