HashMap底层数据结构和算法解析

时间：2021-11-03 16:17:57

1.Hash Map的数据结构？

A：哈希表结构（链表散列：数组+链表）实现，结合数组和链表的优点。当链表长度超过8时，链表转换为红黑树。

 transient Node<K,V>[] table;

HashMap底层数据结构和算法解析

 

2.HashMap的工作原理

A：HashMap底层是hash数组和单向链表实现，数组中的每个元素都是链表，由Node内部类（实现Map.Entry<k,V>接口）实现，HashMap通过put&get方法存储和获取。

存储对象时，将K/V键值对传给put（）方法；

①、调用hash（K）方法计算K的hash值，然后结合数组长度，计算得数组下标；

②、调整数组大小（当容器中得元素个数大于capacity*loadFactor时，容器会进行resize为2n）

③、

i、如果K的hash值在HashMap不存在，则执行插入；若存在，则发生碰撞；

ii、如果K的hash值在HashMap存在，且它们两者equals返回true，则更新键值对；

iii、如果K的hash值在HashMap存在，且它们两者equals返回false，则插入链表的尾部（尾插法）或者红黑树（树的添加方式）

（JDK1.7 之前使用头插法、JDK 1.8 使用尾插法）

（注意：当碰撞导致链表大于TREEIFY_THRESHOLD = 8时，就把链表转换为红黑树）

获取对象时，将K传给get（）方法：

①、调用hash（K）方法（计算K的hash值）从而获取该键值对所在链表的数组下标；

②、顺序遍历链表，equals（）方法查找相同Node链表K值对应的V值

hashCode是定位的，存储位置；

equals是定性的，比较两者是否相等。

 

3.当两个对象的hashCode相同会发生什么？

A：因为hashCode相同，不一定就是相等的（equals方法比较），所以两个对象所在数组下标相同，“碰撞”就此发生。又因为HashMap使用链表存储对象，这个Node会存储到链表下。

 

4.：你知道hash的实现吗？为什么要这样实现？

A：JDK1.8中，是通过hashCode（）的高16位异或低16位实现的：（h = k.hashCode()^(h>>>16)）

主要是从速度、功效和质量来考虑的，减少系统的开销，也不会造成因为高位没有参与下标的计算，从而引起的碰撞。

 

5：为什么要用异或运算符？

A：保持了对象的hashCode的32位值只要有一位发生改变，整个hash（）返回值就会改变。尽可能的减少碰撞。

 

6.HashMap的table的容量如何确定？loadFactor是什么？该容量如何变化？这种变化会带来什么问题？

A：

①、table数组大小是由capacity这个参数确定的，默认是16，也可以构造时传入，最大限制为1<<30；

②、loadFactor是负载因子，主要目的是用来确认table数组是否需要动态扩展，默认值是0.75，比如table数组大小为16，装载因子为0.75时，threshold就是12，当table的实际大小超过12时，table就需要动态扩容；

③、扩容时，调用resize（）方法，将table长度变为原来的两倍（注意是table长度，而不是threshold）

④、如果数据很大的情况下，扩展时将会带来性能的损失，在性能要求很高的地方，这种损失很可能很致命。

 

7.HashMap的遍历方式及其性能对比

A：主要四种方式

no1、for-each  map.keySet()——只需要K值得时候推荐使用

for(String key : map.keySet()) {
     map.get(key);      
}

 

no2、for-each map.entrySet()——当需要V值得时候推荐使用

for(Map.Entry<String, String> entry : map.entrySet()) {
       entry.getKey();
       entry.getValue();
}

 

no3、for-each map.entrySet() + 临时变量

Set<Map.Entry<String, String>> entrySet = map.entrySet();
    for (Map.Entry<String, String> entry : entrySet) {
        entry.getKey();
        entry.getValue();
}

 

no4、for-each map.entrySet().iterator()

Iterator<Map.Entry<String,String>> iterator = 
　　　　　　　　　　　　map.entrySet().iterator();
    while (iterator.hasNext()) {
        Map.Entry<String, String> entry = iterator.next();
        entry.getKey();
        entry.getValue();
}

 

8.HashMap、LinkedHashMap、TreeMap有什么区别？

A：HashMap参考其他问题；

LinkedHashMap保存了记录得插入顺序，用iterator遍历时，先取到得记录肯定是先插入得；遍历比HashMap慢；

TreeMap实现SortMap接口，能够把它保存的记录根据键排序（默认按键值升序排序，也可以知道排序得比较器）

 

9.HashMap & TreeMap & LinkedHashMap 使用场景？

A：一般情况下，使用最多得是HashMao；

HashMap：在Map中插入、删除和定位元素时；

TreeMap：在需要按自然顺序或自定义顺序遍历键得情况下；

LinkedHashMap：在需要输出的顺序和输入的顺序相同的情况下。

 

10.HashMap和HashTable有什么区别？

A：

①、HashMap是线程不安全，HashTable是线程安全的；

②、由于线程安全，所以HashTable的效率比不上HashMap；

③、HashMap最多只允许一条记录的键为null，允许多条激励的值为null，而HashTable不允许；

④、HashMao默认初始化数组的大小为16，HashTable为11，前者扩容时，扩大两倍，后者扩大两倍+1；

⑤、HashMap需要重新计算hash值，而HashTable直接使用对象的hashCode。

 

11.同样是线程类，ConcurrentHashMap 和 HashTable 在线程同步上有什么不同

A：ConcurrentHashMap类（是Java并发包java.util.concurrent中提供的一个线程安全且高效的Hash Map实现）

HashTable是使用synchronize关键字加锁的原理（就是对对象加锁）

而针对ConcurrentHashMap，在JDK1.7 中采用分段锁的方式，JDK1.8 中直接采用了CAS（无锁算法）+ synchronized。

 

12.HashMap & ConcurrentHashMap 的区别？

 A：除了加锁，原理上无太大区别。

另外，HashMap的键值对允许有null，但是ConcurrentHashMap 都不允许。

 

13.为什么 ConcurrentHashMap 比 HashTable 效率要高？

A：HashTable使用一把锁（锁住整个链表结构）处理并发问题，多个线程竞争一把锁，容易阻塞；

ConcurrentHashMap ：

JDK1.7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。

JDK1.8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。

 

14：针对 ConcurrentHashMap 锁机制具体分析（JDK 1.7 VS JDK 1.8）？

 A：JDK1.7中，采用分段锁的机制，实现并发的更新操作，底层采用数组+链表的存储结构，包括两个核心静态内部类Segment 和 HashEntry。

①、 Segment 继承 ReentrantLock（重入锁） 用来充当锁的角色，每个 Segment 对象守护每个散列映射表的若干个桶；

②、HashEntry用来封装映射表的键值对

③、每个桶是由若干个 HashEntry 对象链接起来的链表。

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JDK 1.8 中，采用Node + CAS + Synchronized来保证并发安全。 取消类 Segment，直接用 table 数组存储键值对；当 HashEntry 对象组成的链表长度超过 TREEIFY_THRESHOLD 时， 链表转换为红黑树，提升性能。底层变更为 数组 + 链表 + 红黑树。
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15：ConcurrentHashMap 在 JDK 1.8 中，为什么要使用内置锁 synchronized 来代替重入锁 ReentrantLock？

 A：

i、粒度降低了

ii、JVM开发团队没有放弃synchronized，而且基于JVM的synchronized优化空间更大、更加自然

iii、在大量的数据操作下，对于JVM的内存压力，基于API的ReentrantLock会开销更多的内存。

 
16：ConcurrentHashMap 简单介绍？
A：

①、重要的常量：
private transient volatile int sizeCtl;
当为负数时，-1 表示正在初始化，-N 表示 N - 1 个线程正在进行扩容；
当为 0 时，表示 table 还没有初始化；
当为其他正数时，表示初始化或者下一次进行扩容的大小。

②、数据结构：
Node 是存储结构的基本单元，继承 HashMap 中的 Entry，用于存储数据；
TreeNode 继承 Node，但是数据结构换成了二叉树结构，是红黑树的存储结构，用于红黑树中存储数据；
TreeBin 是封装 TreeNode 的容器，提供转换红黑树的一些条件和锁的控制。

③、存储对象时（put() 方法）：
1.如果没有初始化，就调用 initTable() 方法来进行初始化；
2.如果没有 hash 冲突就直接 CAS 无锁插入；
3.如果需要扩容，就先进行扩容；
4.如果存在 hash 冲突，就加锁来保证线程安全，两种情况：一种是链表形式就直接遍历到尾端插入，一种是红黑树就按照红黑树结构插入；
5.如果该链表的数量大于阀值 8，就要先转换成红黑树的结构，break 再一次进入循环
6.如果添加成功就调用 addCount() 方法统计 size，并且检查是否需要扩容。

④、扩容方法 transfer()：默认容量为 16，扩容时，容量变为原来的两倍。
helpTransfer()：调用多个工作线程一起帮助进行扩容，这样的效率就会更高。

⑤、获取对象时（get()方法）：
1.计算 hash 值，定位到该 table 索引位置，如果是首结点符合就返回；
2.如果遇到扩容时，会调用标记正在扩容结点 ForwardingNode.find()方法，查找该结点，匹配就返回；
3.以上都不符合的话，就往下遍历结点，匹配就返回，否则最后就返回 null。

17、 ConcurrentHashMap 的并发度是什么？

A：程序运行时能够同时更新 ConccurentHashMap 且不产生锁竞争的最大线程数。默认为 16，且可以在构造函数中设置。当用户设置并发度时，ConcurrentHashMap 会使用大于等于该值的最小2幂指数作为实际并发度（假如用户设置并发度为17，实际并发度则为32）



作者：TinyDolphin
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