Java工具包HashMap、ConcurrentHashMap、TreeMap底层实现与数据结构

红太狼 2023-10-10 19:45 13阅读 0赞

1. HashMap的原理，内部数据结构？

底层使用哈希表（数组 + 链表），当链表过长会将链表转成 红黑树以实现 O(logn) 时间复杂度内查找  
2. 讲一下 HashMap 中 put 方法过程？

对 Key 求 Hash 值，然后再计算 下标。  
如果没有碰撞，直接放入桶中，  
如果碰撞了，以链表的方式链接到后面，  
如果链表长度超过阀值（TREEIFY\_THRESHOLD == 8），就把链表转成红黑树。  
如果节点已经存在就替换旧值  
如果桶满了（容量 \* 加载因子），就需要 resize。

3. HashMap 中 hash 函数怎么是是实现的？ 还有哪些 hash 的实现方式？

高 16bit 不变，低 16bit 和高 16bit 做了一个异或  
n - 1） & hash --> 得到下标  
还有哪些 Hash 实现方式：可以参考之前的博客 Effective Java 学习笔记 – hashCode()

4. HashMap 怎样解决冲突，讲一下扩容过程，假如一个值在原数组中，现在移动了新数组，位置肯定改变了，那是什么定位到在这个值新数组中的位置，

将新节点加到链表后，

容量扩充为原来的两倍，然后对每个节点重新计算哈希值。

这个值只可能在两个地方，一个是原下标的位置，另一种是在下标为 <原下标+原容量> 的位置。

5. 抛开 HashMap，hash 冲突有那些解决办法？

开放定址，链地址法  
针对 HashMap 中某个 Entry 链太长，查找的时间复杂度可能达到 O(n)，怎么优化？

将链表转为红黑树， JDK1.8 已经实现了。  
数组和 ArrayList 的区别；

1. 数组可以包含基本类型和对象类型，ArrayList 只能包含对象类型

2. 数组大小固定，ArrayList 大小可以动态变化

3. ArrayList 提供了更多的特性（\`addAll\`、\`removeAll\`）。  
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Arraylist 如何实现排序

Collections.sort(List<T> list);

sort(List<T> list, Comparator<? super T> c);  
6. HashMap

数组 + 链表方式存储

默认容量： 16(2^n 为宜,若定义的初始容量不是 2^n，容量会定义为大于该初始容量的最小 2^n)

例如：初始容量为 13，则真正的容量是 16.  
put:

索引计算 : ((key.hashCode() ^ (key.hashCode() >>> 16)) & (table.length - 1))  
在链表中查找，并记录链表长度，若链表长度达到了 TREEIFY\_THRESHOLD(8)，则将该链转成红黑树。

若在链表中找到了，则替换旧值，若未找到则继续  
当总元素个数超过容量\*加载因子时，扩容为原来 2 倍并重新散列

(元素的下标要么不变，要么变为【原下标+原容量】)。  
将新元素加到链表尾部

程不安全

7. HashTable

数组 + 链表方式存储 默认容量： 11(质数 为宜) put: 索引计算 : （key.hashCode() &  
0x7FFFFFFF）% table.length 若在链表中找到了，则替换旧值，若未找到则继续  
当总元素个数超过容量\*加载因子时，扩容为原来 2 倍并重新散列。 将新元素加到链表头部 对修改 Hashtable  
内部共享数据的方法添加了 synchronized，保证线程安全。

8. HashMap ，HashTable 区别

默认容量不同。  
索引计算方式不同。  
HashMap 特有的将过长链表转换为红黑树。  
新元素的位置不同。  
线程安

全  
9. HashMap、ConcurrentHashMap 区别。

索引计算消除了最高位的影响  
默认容量： 16(若定义了初始容量©，容量会定义为大于(c + (c >>> 1) +1) 的最小 2^n)

例如：初始容量为 13，则真正的容量是 32.  
线程安全，并发性能较好  
并发性能好的原因是 ConcurrentHashMap 并不是定义 synchronized 方法，而是在链表头上同步，不同的链表之间是互不影响的。  
10. ConcurrentHashMap 原理

最大特点是引入了 CAS（借助 Unsafe 来实现【native code】）  
CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则什么都不做。  
Unsafe 借助 CPU 指令 cmpxchg 来实现  
使用实例： 对 sizeCtl 的控制都是用 CAS 来实现的  
sizeCtl ：默认为0，用来控制 table 的初始化和扩容操作。  
1 代表table正在初始化  
N 表示有 -N-1 个线程正在进行扩容操作  
如果table未初始化，表示table需要初始化的大小。 如果table初始化完成，表示table的容量，默认是table大小的0.75倍，居然用这个公式算0.75（n - (n >>2)）。  
CAS 会出现的问题：ABA 对变量增加一个版本号，每次修改，版本号加 1，比较的时候比较版本号。

11. TreeMap 和 TreeSet 区别和实现原理

TreeSet 底层是 TreeMap，TreeMap 是基于红黑树来实现的。

12. 红黑树的特点及相比平衡二叉树的优点（先介绍各自特点）？

红黑树

每个节点要么是红色，要么是黑色。

节点永远是黑色的。

所有的叶节点都是空节点（即 null），并且是黑色的。

个红色节点的两个子节点都是黑色。（从每个叶子到根的路径上不会有两个连续的红色节点）

从任一节点到其子树中每个叶子节点的路径都包含相同数量的黑色节点。

平衡二叉树

任何节点的两个儿子子树的高度最大差别为一

红黑树并不追求“完全平衡”——它只要求部分地达到平衡要求，降低了对旋转的要求，从而提高了性能。

B+树的了解

多分支结构有效降低了树的高度

B 树的各种操作能使 B 树保持较低的高度，从而达到有效避免磁盘过于频繁的查找存取操作，从而有效提高查找效率

13. Trie-Tree 原理及其应用；

字典树  
特点  
根节点不包含字符，除根节点外的每一个子节点都包含一个字符。  
根节点到某一个节点，路径上经过的字符连接起来，为该节点对应的字符串。 每个节点的所有子节点包含的字符互不相同。  
核心思想是空间换时间

应用 字符串检索  
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