去哪面试都会问的HashMap

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前言

HashMap可以说是面试的重中之重，去10家公司面试，8家都会问道，为什么大家都爱用HashMap打开话题？

HashMap是怎么实现的？

jdk1.7的HashMap是用数组+链表实现的
jdk1.8的HashMap是用数组+链表+红黑树实现的

附上我历时三个月总结的 Java 面试 + Java 后端技术学习指南，这是本人这几年及春招的总结，目前，已经拿到了大厂offer，拿去不谢！

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HashMap的主干是一个数组，假设我们有3个键值对dnf:1，cf:2，lol:3，每次放的时候会根据key.hash % table.length（对象的hashcode进行一些操作后对数组的长度取余）确定这个键值对应该放在数组的哪个位位置

1 = indexFor(dnf)，我们将键值对放在数组下标为1的位置

3 = indexFor(cf)

1 = indexFor(lol)，这时发现数组下标为1的位置已经有值了，我们把lol:3放到链表的第一位，将原先的dnf:1用链表的形式放到lol键值对的下面

jdk1.7是头插法
jdk1.8是尾插法

在获取key为dnf的键值对时，1=hash(dnf)，得到这个键值对在数组下标为1的位置，dnf和lol不相等，和下一个元素比较，相等返回。set和get的过程就是这么简单。先定位到槽的位置（即数组中的位置），再遍历链表找到相同的元素。

由上图可以看出，HashMap在发生hash冲突的时候用的是链地址法，解决hash冲突并不只有这一种方法，常见的有如下四种方法

开放定址法
链地址法
再哈希法
公共溢出区域法。

JDK1.7源码

几个重要的属性

//初始容量是16，且容量必须是2的倍数
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;//最大容量是2的30次方
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;//负载因子
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;static final Entry<?,?>[] EMPTY_TABLE = {};//HashMap的主干是一个Entry数组,在需要的时候进行扩容，长度必须是2的被数
transient Entry<K,V>[] table = (Entry<K,V>[]) EMPTY_TABLE;//放置的key-value对的个数
transient int size;//进行扩容的阈值，值为 capacity * load factor，即容量 * 负载因子
int threshold;//负载因子
final float loadFactor;

这里说一下threshold和loadFactor，threshold = capacity * load factor，即扩容的阈值=数组长度 * 负载因子，如果hashmap中放了16个元素，负载因子为0.75，则扩容阈值为16*0.75=12

负载因子越小，容易扩容，浪费空间，但查找效率高
负载因子越大，不易扩容，对空间的利用更加充分，查找效率低（链表拉长）

存储数据的静态内部类，数组+链表，这里的数组指的就是Entry数组

static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {final K key;V value;Entry<K,V> next;//存储指向下一个Entry的引用，单链表结构int hash;//对key的hashcode值进行hash运算后得到的值，存储在Entry，避免重复计算Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {value = v;next = n;key = k;hash = h;}
}

构造函数

其他都是在此基础上的扩展，主要就是设置初始容量和负载因子，这2个参数前面介绍过了哈。

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {if (initialCapacity < 0)throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +initialCapacity);if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +loadFactor);this.loadFactor = loadFactor;threshold = initialCapacity;init();
}

最重要的知识点来了，对着流程看源码比较好理解

put方法的执行过程

key为null直接放在table[0]处，对key的hashCode()做hash运算，计算index;
如果节点已经存在就替换old value(保证key的唯一性)，并返回old Value
如果达到扩容的阈值（超过capacity * load factor），并且发生碰撞，就要resize
将元素放到bucket的首位，即头插法

public V put(K key, V value) {//hashmap的数组为空if (table == EMPTY_TABLE) {inflateTable(threshold);}if (key == null)return putForNullKey(value);//获取hash值int hash = hash(key);//找到应该放到table的哪个位置int i = indexFor(hash, table.length);//遍历table[i]位置的链表，查找相同的key,若找到则使用新的value替换oldValue,并返回oldValuefor (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {Object k;//如果key已经存在，将value设置为新的，并返回旧的value值if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {V oldValue = e.value;e.value = value;e.recordAccess(this);return oldValue;}}modCount++;//将元素放到table[i]，新的元素总在table[i]位置的第一个元素，原来的元素后移addEntry(hash, key, value, i);return null;
}

为空时，HashMap还没有创建这个数组，有可能用的是默认的16的初始值，还有可能自定义了长度，这时需要把数组长度变为2的最小倍数，并且这个2的倍数大于等于初始容量

private void inflateTable(int toSize) {//返回大于或等于最接近2的幂数int capacity = roundUpToPowerOf2(toSize);threshold = (int) Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);table = new Entry[capacity];initHashSeedAsNeeded(capacity);
}

若key为null，则将值放在table[0]这个链上

private V putForNullKey(V value) {for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {if (e.key == null) {V oldValue = e.value;e.value = value;e.recordAccess(this);return oldValue;}}modCount++;addEntry(0, null, value, 0);return null;
}

找到应该放在数组的位置，h & (length-1)这个式子你可以认为hash值对数组长度取余，后面会说到这个式子

static int indexFor(int h, int length) {// assert Integer.bitCount(length) == 1 : "length must be a non-zero power of 2";return h & (length-1);
}

添加元素

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {// 容量超过阈值，并且发生碰撞时进行扩容if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {// 数组扩容为原来的2倍，并将元素复制到新数组上resize(2 * table.length);// 重新计算hash值，如果不做特殊设置的话，和之前算出来的hash值一样hash = (null != key) ? hash(key) : 0;bucketIndex = indexFor(hash, table.length);}createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}

将新增加的元素放到table的第一位，并且将其他元素跟在第一个元素后面

void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {Entry<K,V> e = table[bucketIndex];table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);size++;
}

容量超过阈值并且发生碰撞，开始扩容

void resize(int newCapacity) {Entry[] oldTable = table;int oldCapacity = oldTable.length;//容量已经达到最大if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {threshold = Integer.MAX_VALUE;return;}Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));table = newTable;threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
}

重新计算元素在新的数组中的位置，并进行复制处理，initHashSeedAsNeeded函数默认情况下会一直返回false，即rehash在默认情况下为false

void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {int newCapacity = newTable.length;// 遍历数组for (Entry<K,V> e : table) {// 遍历链表while(null != e) {Entry<K,V> next = e.next;if (rehash) {e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);}int i = indexFor(e.hash, newCapacity);e.next = newTable[i];newTable[i] = e;e = next;}}
}

这个transfer函数挺有意思的，如果你仔细理解它的复制过程，会发现有如下2个特别有意思的地方

原来在oldTable[i]位置的元素，会被放到newTable[i]或者newTable[i+oldTable.length]的位置
链表在转移的时候会反转

这2个点需要注意一下，我会在JDK1.8中再次提到这2个点

get方法的执行过程

key为null直接从table[0]处取，对key的hashCode()做hash运算，计算index;
通过key.equals(k)去查找对应的Entry，接着返回value

public V get(Object key) {if (key == null)return getForNullKey();Entry<K,V> entry = getEntry(key);return null == entry ? null : entry.getValue();
}

从table[0]初获取key为null的值

private V getForNullKey() {if (size == 0) {return null;}for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {if (e.key == null)return e.value;}return null;
}

key不为null时

final Entry<K,V> getEntry(Object key) {if (size == 0) {return null;}int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];e != null;e = e.next) {Object k;if (e.hash == hash &&((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))return e;}return null;
}

JDK1.8源码

jdk1.8存取key为null的数据并没有进行特判，而是通过将hash值返回为0将其放在table[0]处

put执行过程

对key的hashcode()高16位和低16位进行异或运算求出具体的hash值
如果table数组没有初始化，则初始化table数组长度为16
根据hash值计算index，如果没碰撞则直接放到bucket里（bucket可为链表或者红黑树）
如果碰撞导致链表过长，就把链表转为红黑树
如果key已经存在，用new value替换old value，并返回old value
如果超过扩容的阈值则进行扩容，threshold = capacity * load factor

jdk1.8和jdk1.7重新获取元素值在新数组中所处的位置的算法发生了变化（实际效果没发生改变）

jdk1.7，hash & (length-1)
jdk1.8，判断原来hash值要新增的bit位是0还是1。假如是0，放到newTable[i]，否则放到newTable[i+oldTable.length]

get执行过程

对key的hashcode()高16位和低16位进行异或运算求出具体的hash值
如果在bucket里的第一个节点直接命中，则直接返回
如果有冲突，通过key.equals(k)去查找对应的Node，并返回value。在树中查找的效率为O(logn)，在链表中查找的效率为O(n)

常见面试题

HashMap，HashTable，ConcurrentHashMap之间的区别

对象	key和value是否允许为空	是否线程安全
HashMap	key和value都允许为null	否
HashTable	key和value都不允许为null	是
ConcurrentHashMap	key和value都不允许为null	是

HashMap在什么条件下扩容

jdk1.7

超过扩容的阈值
发生碰撞

jdk1.8

超过扩容的阈值

HashMap的大小为什么是2的n次方

为了通过hash值确定元素在数组中存的位置，我们需要进行如下操作hash%length，当时%操作比较耗时间，所以优化为 hash & (length - 1)

当length为2的n次方时，hash & (length - 1) =hash % length

我们假设数组的长度为15和16，hash码为8和9

h & (length - 1)	h	length	index
8 & (15 - 1)	0100	1110	0100
9 & (15 - 1)	0101	1110	0100
8 & (16 - 1)	0100	1111	0100
9 & (16 - 1)	0101	1111	0101

可以看出数组长度为15的时候，hash码为8和9的元素被放到数组中的同一个位置形成链表，键低了查询效率，当hahs码和15-1(1110)进行&时，最后一位永远是0，这样0001，0011，0101，1001，1011，0111，1101这些位置永远不会被放置元素，这样会导致

空间浪费大
增加了碰撞的几率，减慢查询的效率

当数组长度为时，的所有位都是1，如8-1=7即111，那么进行低位&运算时，值总与原来的hash值相同，降低了碰撞的概率

JDK1.8发生了哪些变化？

由数组+链表改为数组+链表+红黑树，当链表的长度超过8时，链表变为红黑树。
为什么要这么改？
我们知道链表的查找效率为O(n)，而红黑树的查找效率为O（logn），查找效率变高了。
为什么不直接用红黑树？
因为红黑树的查找效率虽然变高了，但是插入效率变低了，如果从一开始就用红黑树并不合适。从概率学的角度选了一个合适的临界值为8
优化了hash算法
计算元素在新数组中位置的算法发生了变化，新算法通过新增位判断oldTable[i]应该放在newTable[i]还是newTable[i+oldTable.length]
头插法改为尾插法，扩容时链表没有发生倒置（避免形成死循环）

HashMap在高并发下会发生什么问题？

多线程扩容，会让链表形成环，从而造成死循环
多线程put可能导致元素丢失

如何避免HashMap在高并发下的问题？

使用ConcurrentHashMap
用Collections.synchronizedMap(hashMap)包装成同步集合

最后，再附上我历时三个月总结的 Java 面试 + Java 后端技术学习指南，这是本人这几年及春招的总结，目前，已经拿到了大厂offer，拿去不谢！

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