hashmap存多少条数据_干货 | 面试官想问的HashMap,都在这一篇里面了!
来源公众号:非科班的科班
本文思维导图
HashMap简介
HashMap 是很常用的一种集合框架,其底层实现方式在 JDK 1.7和 JDK 1.8中却有很大区别。HashMap 是用来存储数据的,它底层在JDK 1.7是数组+链表实现的,而JDK 1.8是使用数组+链表+红黑树实现,通过对 key 进行哈希计算等操作后得到数组下标,把 value 等信息存放在链表或红黑树存在此位置。如果两个不同的 key 运算后获取的数组下标一致,就出现了哈希冲突。数组默认长度是16,如果实际数组长度超过一定的值,就会进行扩容。HashMap的面试不管小厂还是大厂都是高频问点,特别是大厂一定会深究底层,采用持续的追问,知道你怀疑人生,在Java7和Java8中对HashMap的数据结构进行了很大的优化。今天这篇文章就以HashMap的高频问点为主,层层的剖析HasMap的底层实现,话不多说,直接进入正题。问点一:你了解HashMap的底层数据结构吗?对于HashMap的底层数据结构在Java7和Java8中的实现是不同的,在Java7中是采用数组+链表的数据结构进行实现,而在Java8中是采用数组+链表+红黑树的数据结构实现的。说时迟那时快,刚话说完,从兜里拿出笔和纸,啪地一声放在桌子上画了起来,许久之后,出现了两幅jdk7和jdk8的HashMap的内部结构图:
上图是jdk7内部结构图,以Entry[]数组作为哈希桶,每个哈希桶的后面又可以连着一条单向链表,在链表中以k,v的形式存储数据,并且每一个节点有指向下一节点的指针。上图是jdk8的HashMap的内部结构图,此时在源码源码中就不再使用Entry[]作为数组,而是使用Node[]数组作为哈希桶,每个哈希桶的后面也可能连着一条单向链表或者红黑树。当单向链表的值>8的时候,链表就会转换为红黑树进行存储数据,在面试大厂的时候,其实答到这里,还是不完整的,为什么呢?因为你想你说的上面的实际由jdk7和jdk8转变的一个结果,但是重要的为什么要这样做?你还没有回答。如果你聪明点的话,就不会等着面试官抛出接下来的问题?而是自己去回答这个为什么?不是等着面试官继续抛出这个为什么?一个会聊天的人他会去猜测对方想知道什么?问点二:哈希冲突是怎么回事?HashMap又是怎么解决的?哈希冲突是怎么回事呢?当的数据将要存进HashMap中的时候,会先,把k值经过hash函数进行计算得到hash值,再通过hash值进行计算得到数据在数组的下标,在jdk7中的源码如下:
//key 进行哈希计算int hash = hash(key);//获取数组下标int i = indexFor(hash, table.length);
通过计算后的下标,从而得到数组的对应下标的位置,最后把k,v值存进去,同样的当再次第二次存值的时候,同样把k,v传进来,当k再次进行计算出数组下标index,有可能和第一次计算的index的值相同。为什么有可能相同呢?这个是hash函数的原因,看完上面推荐的那篇hash函数详细介绍你就懂了。当两次的计算index相同,这就是hash冲突。但是,两次的需要存进去的value值是不同的,这就出现了同一个数组后面有一条链表,会比较链表上的每一个value值与当前的value是否相同,若是不相同,通过头插法,将数值插入链表中。如下图所示:
接下来通通过源码进行分析,在jdk 7插入的put 方法源码如下:
public V put(K key, V value) { //数组为空就进行初始化 if (table == EMPTY_TABLE) { inflateTable(threshold); } if (key == null) return putForNullKey(value); //key 进行哈希计算 int hash = hash(key); //获取数组下标 int i = indexFor(hash, table.length); //如果此下标有值,遍历链表上的元素,key 一致的话就替换 value 的值 for (Entry e = table[i]; e != null; e = e.next) { Object k;if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) { V oldValue = e.value; e.value = value; e.recordAccess(this);return oldValue; } } modCount++;//新增一个key addEntry(hash, key, value, i);return null; }
put方法中主要做了以下几件事:
- 判断table数组是否为空,若为空进行初始化table数组。
- 判断key值是否为null,将null是作为key存进去。
- 若key不为空,通过key计算出数组下标,判断table[i]是否为空。
- 若是不为空通过链表循环,判断在链表中是否存在与该key相等,若是存在,直接将value替换成新的value。若是table[i]为空或者链表中不存在与之相同的key,就addEntry(hash, key, value, i)新增一个节点。
接下来看看addEntry(hash, key, value, i)新增节点的源码如下:
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {//数组长度大于阈值且存在哈希冲突(即当前数组下标有元素),就将数组扩容至2倍 if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) { resize(2 * table.length); hash = (null != key) ? hash(key) : 0; bucketIndex = indexFor(hash, table.length); } createEntry(hash, key, value, bucketIndex); }
这个方法很简单,直接就是判断当前数组的大小是否>=threshold并且table[bucketIndex]是否为null。若成立扩容,然后rehash,重新得到新数组的下标值,最后 createEntry(hash, key, value, bucketIndex)创建新节点。最后来看一下createEntry(hash, key, value, bucketIndex)创建新节点的源码如下:
void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) { //此位置有元素,就在链表头部插入新元素(头插法) Entry e = table[bucketIndex]; table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e); size++; }
该方法就是通过头插法加入新节点,方法非常简单,相信都能看懂。经过上面对put方法的源码分析,在jdk 7 中put操作的原理图如下所示:
在JDK 7中,链表存储有一个缺点,就是当数据很多的时候,链表就会很长,每次查询都会遍历很长的链表。因此在JDK 8中为了优化HashMap的查询效率,将内部的结构改为数组+链表+和红黑树,当一个哈希桶后面的链表长度>8的时候,就会将链表转化为红黑树,红黑树是二分查找,提高了查询的效率。接下来通过JDK 8的put源码分析如下:
public V put(K key, V value) { return putVal(hash(key), key, value, false, true);}
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) { Node[] tab; Node p; int n, i;//数组为空就初始化if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) n = (tab = resize()).length;//当前下标为空,就直接插入if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) tab[i] = newNode(hash, key, value, null);else { Node e; K k;//key 相同就覆盖原来的值if (p.hash == hash &&((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) e = p;//树节点插入数据else if (p instanceof TreeNode) e = ((TreeNode)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);else {for (int binCount = 0; ; ++binCount) {//链表,尾插法插入数据if ((e = p.next) == null) { p.next = newNode(hash, key, value, null);//链表长度超过8,就把链表转为红黑树if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st treeifyBin(tab, hash);break; }//key相同就覆盖原来的值if (e.hash == hash &&((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))break; p = e; } }if (e != null) { // existing mapping for key V oldValue = e.value;if (!onlyIfAbsent || oldValue == null) e.value = value; afterNodeAccess(e);return oldValue; } } ++modCount;//数组长度大于阈值,就扩容if (++size > threshold) resize(); afterNodeInsertion(evict);return null; }
通过分析源码,上面的方法主要做了以下几件事:
- 判断当前桶是否为空,空的就需要初始化(resize 中会判断是否进行初始化)。
- 根据当前 key 的 hashcode 定位到具体的桶中并判断是否为空,为空表明没有 Hash 冲突就直接在当前位置创建一个新桶即可。
- 如果当前桶有值( Hash 冲突),那么就要比较当前桶中的 key、key 的 hashcode 与写入的 key是否相等,相等就赋值给 e。
- 如果当前桶为红黑树,那就要按照红黑树的方式写入数据。
- 如果是个链表,就需要将当前的 key、value 封装成一个新节点写入到当前桶的后面(形成链表)。
- 接着判断当前链表的大小是否大于预设的阈值,大于时就要转换为红黑树。
- 如果在遍历过程中找到 key 相同时直接退出遍历。
- 如果 e != null 就相当于存在相同的 key,那就需要将值覆盖。
- 最后判断是否需要进行扩容。
继续看下 treeifyBin 的源码:
final void treeifyBin(Node[] tab, int hash) { int n, index; Node e;//链表转为红黑树时,若此时数组长度小于64,扩容数组if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY) resize();else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) { TreeNode hd = null, tl = null;//链表转为树结构do { TreeNode p = replacementTreeNode(e, null);if (tl == null) hd = p;else { p.prev = tl; tl.next = p; } tl = p; } while ((e = e.next) != null);if ((tab[index] = hd) != null) hd.treeify(tab); } }
由此可以看到1.8中,数组有两种情况会发生扩容:
- 一是超过阈值
- 二是链表转为红黑树且数组元素小于64时
由此在jdk1.8中,默认长度为16情况下,要么元素一直放在同一下标,链表转为红黑树且数组元素小于64时就会扩容,要么超过阈值12时才会扩容。依据上面的源码分析,在JDK 1.8中put方法的执行的原理图如下:
通过上面的分析,我们可以看到jdk1.7和1.8情况下 hashmap实现方式区别是非常大的。在源码的分析中,也可以找到下面问题的答案。问点三:HashMap的扩容机制是怎么样的?JDK7与JDK8有什么不同吗?JDK 1.7的扩容条件是数组长度大于阈值且存在哈希冲突,在JDK 7中的扩容的源码如下:
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) { //数组长度大于阈值且存在哈希冲突(即当前数组下标有元素),就将数组扩容至2倍 if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) { resize(2 * table.length); hash = (null != key) ? hash(key) : 0; bucketIndex = indexFor(hash, table.length); } createEntry(hash, key, value, bucketIndex); }
而JDK 1.8扩容条件是数组长度大于阈值或链表转为红黑树且数组元素小于64时,源码中的体现如下所示:
//数组长度大于阈值,就扩容if (++size > threshold) resize();
//链表转为红黑树时,若此时数组长度小于64,扩容数组if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY) resize();
问点四:HashMap中的键值可以为Null吗?能简单说一下原理吗?在JDK7中是允许null存进去的,通过 putForNullKey(value)方法来存储key为null值,具体的实现的源代码如下:
if (key == null) return putForNullKey(value);
而在JDK 8中当传进key为null值的时候,就直接将hash值取0,进行计算存入值的位置。
public V put(K key, V value) { return putVal(hash(key), key, value, false, true);}
static final int hash(Object key) { int h; return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);}
问点五:HashMap中能put两个相同的Key吗?为什么能或为什么不能?这个问题比较简单,在JDK7和JDK8中的做法是一样的,若是存入的key值一样,就会将原来的key所对应的value值直接替换掉,可以从源码中看出:
// JDK1.7if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) { V oldValue = e.value; // 直接替换原来的value值 e.value = value; e.recordAccess(this); return oldValue; }
// JDK 1.8else { for (int binCount = 0; ; ++binCount) { if ((e = p.next) == null) { p.next = newNode(hash, key, value, null); if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st treeifyBin(tab, hash); break; } // 存在key值相同 if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) break; p = e; }}if (e != null) { // existing mapping for key V oldValue = e.value; if (!onlyIfAbsent || oldValue == null) // 替换掉原来value值 e.value = value; afterNodeAccess(e); return oldValue;}
问点六:聊一聊JDK 7的HashMap中的“死锁”是怎么回事?HashMap是线程不安全的,在HashMap的源码中并未对其操作进行同步执行,所以在并发访问的时候就会出现线程安全的问题。由于上一篇的ConcurrentHashMap篇中讲到了死锁,也画了图,但是很多读者说看不懂,这里我的锅,在这里详细的进行图解。假设:有线程A和线程B,并发访问HashMap中的数据。假设HashMap的长度为2(这里只是为了讲解方便假设长度为2),链表的结构图如下所示:
4和8都位于同一条链表上,其中的threshold为1,现在线程A和线程B都要进行put操作,首先线程A进行插入值。此时,线程A执行到transfer函数中(transfer函数是resize扩容方法中调用的另一个方法),当执行(1)位置的时候,如下所示:
/*** Transfers all entries from current table to newTable.*/void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) { int newCapacity = newTable.length; for (Entry e : table) {while(null != e) { Entry next = e.next; ---------------------(1)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; } // while }}
此时线程A挂起,在此时在线程A的栈中就会存在如下值:
e = 4next = 8
此时线程B执行put的操作,并发现在进行put操作的时候需要扩容,当线程B执行 transfer函数中的while循环,即会把原来的table变成新一table(线程B自己的栈中),再写入到内存中。执行的过程如下图所示(假设两个元素在新的hash函数下也会映射到同一个位置):
此时线程A有获取到cpu的执行时间,接着执行(但是纤层A中的数据仍是旧表数据),即从transfer代码(1)处接着执行,当前的 e = 4, next = 8, 上面已经描述,执行的的过程若下图所示:
当操作完成,执行查找时,会陷入死循环!问点七:HashMap是线程安全的吗?为什么安全或者不安全?从上图JDK8的put操作原理图中可以看出为HashMap的put方法的详细过程,其中造成线程不安全的方法主要是resize(扩容)方法。假设,现在有线程A 和线程B 共同对同一个HashMap进行put操作,假设A和B插入的Key-Value中key的hashcode是相同的,这说明该键值对将会插入到Table的同一个下标的,也就是会发生哈希碰撞。此时HashMap按照平时的做法是形成一个链表(若超过八个节点则是红黑树),现在我们插入的下标为null(Table[i]==null)则进行正常的插入。此时线程A进行到了这一步正准备插入,这时候线程A堵塞,线程B获得运行时间,进行同样操作,也是Table[i]==null 。此时它直接运行完整个put方法,成功将元素插入。随后,线程A获得运行时间接上上面的判断继续运行,进行了Table[i]==null的插入(此时其实应该是Table[i]!=null的操作,因为前面线程B已经插入了一个元素了),这样就会直接把原来线程B插入的数据直接覆盖了,如此一来就造成了线程不安全问题。-End-
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