面试时被问到Flutter/Dart的HashMap怎么办？

Posted 2021-05-24 涂程

前言

相信不少同学在面试的时候有被问到关于HashMap的问题，特别是Java/android程序员，HashMap几乎是必然会被提及的。因为这里面可以挖掘的点实在是太多了。关于Java的HashMap面经在网上可以说是随处可见了。自然而然，随着Flutter的火爆，后面大家也可能在面试中被问到关于Flutter/Dart的HashMap相关问题。与其到时候一问三不知，不如现在就来了解一下Flutter/Dart的HashMap吧。

本文中，关于Dart的HashMap我先列一些有可能在面试中遇到的问题，然后会对照源码做一些介绍，最后会给出这些问题的一个粗浅的答案。希望能帮到大家。

• HashMap和LinkedHashMap有什么区别？
• 这个表达式final map = Map();得到的map是上面两种Map的那一种？
• HashMap底层的数据结构是什么样的？
• HashMap默认大小是多大？
• HashMap如何处理hash冲突？
• HashMap何时扩容？如何扩容？
• LinkedHashMap底层的数据结构是什么样的？
• LinkedHashMap如何处理hash冲突？
• LinkedHashMap何时扩容？如何扩容？

下面我们就带着这些问题来看一下源码

使用HashMap和LinkedHashMap

创建一个HashMap实例：

final map = HashMap();

创建一个LinkedHashMap实例

final map = LinkedHashMap();

创建一个Map实例

final map = Map();

这里你得到的map其实是一个LinkedHashMap。其工厂构造函数如下：

@patch
class Map<K, V> {
  ...
  @patch
  factory Map() => new LinkedHashMap<K, V>();
  ...
}

增/改

   map['one'] = 1;

删

   map.remove('one');

查

   final value = map['one'];

增，改，查的操作和操作数组一样，删除要调用remove()。

迭代器

   final it = map.entries.iterator;
   while(it.moveNext()) {
      print(it.current);
   }

Dart语言一大特点就是特别灵活，这里只是列举了一些常见操作，其他不同的写法大家可以参考API文档。

接下来我们深入源码来一探究竟。

HashMap

构造函数

  @patch
  class HashMap<K, V> {
  @patch
  factory HashMap(
      {bool equals(K key1, K key2)?,
      int hashCode(K key)?,
      bool isValidKey(potentialKey)?}) {
        if (isValidKey == null) {
          if (hashCode == null) {
            if (equals == null) {
              return new _HashMap<K, V>();
            }
           ...
  }

HashMap构造函数有三个可选入参，这里我们都不传，这样的话返回的就是个_HashMap实例。有入参的情况下会返回另外两种_IdentityHashMap和_CustomHashMap之一，本文由于篇幅所限就 不再涉及。大家感兴趣的话可以直接去看源码。

底层结构

var _buckets = List<_HashMapEntry<K, V>?>.filled(_INITIAL_CAPACITY, null);

这一看就是数组+链表的形式嘛。

初始化容量：

static const int _INITIAL_CAPACITY = 8;

我们知道Java的HashMap初始化大小是16，Dart使用的是8. 虽然不同但也还是2的幂。 另外貌似Dart也没有给用户提供自定义初始化大小的机会。

查找操作

  V? operator [](Object? key) {
    final hashCode = key.hashCode;
    final buckets = _buckets;
    final index = hashCode & (buckets.length - 1);
    var entry = buckets[index];
    while (entry != null) {
      if (hashCode == entry.hashCode && entry.key == key) {
        return entry.value;
      }
      entry = entry.next;
    }
    return null;
  }

可见取数组下标就是直接把key的hashCode和数组长度-1做与操作。

    final index = hashCode & (buckets.length - 1);

然后比较链表元素保存的哈希值以及key是否相等，不相等则找下一个链表元素，都相等则返回对应值。这里我们要注意到没有红黑树。所以dart的HashMap实现其实和jdk1.8之前的实现类似。

赋值操作

void operator []=(K key, V value) {
    final hashCode = key.hashCode;
    final buckets = _buckets;
    final length = buckets.length;
    final index = hashCode & (length - 1);
    var entry = buckets[index];
    while (entry != null) {
      if (hashCode == entry.hashCode && entry.key == key) {
        entry.value = value;
        return;
      }
      entry = entry.next;
    }
    _addEntry(buckets, index, length, key, value, hashCode);
  }

过程和取值操作其实差不多，键值对存在的情况下就直接赋值，不存在的情况下就调用_addEntry()做新增操作。

  void _addEntry(List<_HashMapEntry<K, V>?> buckets, int index, int length,
      K key, V value, int hashCode) {
    final entry = new _HashMapEntry<K, V>(key, value, hashCode, buckets[index]);
    buckets[index] = entry;
    final newElements = _elementCount + 1;
    _elementCount = newElements;
    // If we end up with more than 75% non-empty entries, we
    // resize the backing store.
    if ((newElements << 2) > ((length << 1) + length)) _resize();
    _modificationCount = (_modificationCount + 1) & _MODIFICATION_COUNT_MASK;
  }

这里注意一下在新建_HashMapEntry的时候会传入当前数组的entry，也就是buckets[index]。然后把新的entry赋值给buckets[index]。

   buckets[index] = entry;

这里我们就能猜到应该用的是头插法。另外，_modificationCount是每次有增删等操作的时候都是自增的，当我们在遍历HashMap的过程中如果有此类操作会导致Concurrent modification异常。这也就是"Fail-Fast"机制

新增操作显然会涉及到扩容的问题，从上面的注释我们可以看出，在键值对数量超过数组容量的75%的时候会做扩容，也就是它的负载因子是0.75。这点和Java也是一样的。这个75%的计算过程为了提高效率使用了位运算和加法来代替除法，等效于e4>l3 -> e/l>3/4 -> e/l>75%

扩容操作

void _resize() {
    final oldBuckets = _buckets;
    final oldLength = oldBuckets.length;
    final newLength = oldLength << 1;
    final newBuckets = new List<_HashMapEntry<K, V>?>.filled(newLength, null);
    for (int i = 0; i < oldLength; i++) {
      var entry = oldBuckets[i];
      while (entry != null) {
        final next = entry.next;
        final hashCode = entry.hashCode;
        final index = hashCode & (newLength - 1);
        entry.next = newBuckets[index];
        newBuckets[index] = entry;
        entry = next;
      }
    }
    _buckets = newBuckets;
  }

扩容后的新数组长度是原长度的2倍。

final newLength = oldLength << 1;

我们知道它的初始长度是8，可见buckets数组长度始终会是2的幂。

从把entry从旧数组转移到新数组的过程我们也能看出来，这个转移的过程使用的也是头插法。

扩容这里有一个需要注意的地方就是，当键值对数量超过数组长度的75%时会发生扩容，而不是数组被占用超过75%的时候会发生扩容，这一误区在很多讨论Java HashMap的文章中也出现过。需要大家仔细体会这里面的不同。

删除操作

  void _removeEntry(_HashMapEntry<K, V> entry,
      _HashMapEntry<K, V>? previousInBucket, int bucketIndex) {
    if (previousInBucket == null) {
      _buckets[bucketIndex] = entry.next;
    } else {
      previousInBucket.next = entry.next;
    }
  }

删除就是正常的链表删除节点的过程。

遍历

  void forEach(void action(K key, V value)) {
    final stamp = _modificationCount;
    final buckets = _buckets;
    final length = buckets.length;
    for (int i = 0; i < length; i++) {
      var entry = buckets[i];
      while (entry != null) {
        action(entry.key, entry.value);
        if (stamp != _modificationCount) {
          throw new ConcurrentModificationError(this);
        }
        entry = entry.next;
      }
    }
  }

遍历会从数组的第一个位置开始依次访问链表的每一项。显然这个遍历顺序是不保证和键值对的插入顺序一致的。这里我们也能看到"Fail-Fast"机制发生作用的时候了，如果遍历过程中用户对HashMap做了增删等操作的话会导致stamp和_modificationCount不相等，导致ConcurrentModificationError异常。

小结

Dart的HashMap总体而言实现的还是比较简单的。整体上和jdk1.7版本的HashMap类似。相信研究过Java实现的同学们会觉得dart的HashMap比较好理解一些。

LinkedHashMap

从API文档上看，LinkedHashMap和HashMap的区别就是在遍历的时候，LinkedHashMap会保留键值对的插入顺序。在jdk中，LinkedHashMap的实现是将Node改造为双向链表以保留顺序。dart的LinkedHashMap实现则有所不同。

构造函数

@patch
class LinkedHashMap<K, V> {
  @patch
  factory LinkedHashMap(
      {bool equals(K key1, K key2)?,
      int hashCode(K key)?,
      bool isValidKey(potentialKey)?}) {
    if (isValidKey == null) {
      if (hashCode == null) {
        if (equals == null) {
          return new _InternalLinkedHashMap<K, V>();
        }
       ...
  }

类似的，LinkedHashMap构造函数有三个可选入参，这里我们都不传，这样的话返回的就是个_InternalLinkedHashMap实例。有入参的情况下会返回另外两种_CompactLinkedIdentityHashMap和_CompactLinkedCustomHashMap之一，本文也不再涉及。

底层结构

我们直接看_InternalLinkedHashMap。

_InternalLinkedHashMap构造函数:

  _InternalLinkedHashMap() {
    _index = new Uint32List(_HashBase._INITIAL_INDEX_SIZE);
    _hashMask = _HashBase._indexSizeToHashMask(_HashBase._INITIAL_INDEX_SIZE);
    _data = new List.filled(_HashBase._INITIAL_INDEX_SIZE, null);
    _usedData = 0;
    _deletedKeys = 0;
  }

可见_InternalLinkedHashMap底层有两个数组，_index和_data。_index数组以哈希码为下标记录对应键值对在_data数组中的位置。_data数组按插入顺序依次保存key和value。

用图来表示就是下面这个样子：

两个数组的初始化长度都是_INITIAL_INDEX_SIZE。通过以下代码可见其值为16。_data数组存放的是键值对，那最多的话只能存放8个键值对了。也就是说LinkedHashMap初始容量其实是8。

 abstract class _HashBase implements _HashVMBase {
 ...
  static const int _INITIAL_INDEX_BITS = 3;
  static const int _INITIAL_INDEX_SIZE = 1 << (_INITIAL_INDEX_BITS + 1);
  }

LinkedHashMap底层其实是用线性探测法实现的。数组_index里保存的是叫pair的一个整数。之所以叫pair是因为它是由高位和低位两部分组成的，高位叫hashPattern, 低位叫entry。entry指向_data数组对应的键值对。从hashcode到真正键值对的查找过程的关键点其实就是这个entry。

同时pair也用来表示_index数组对应位置的状态。0(_UNUSED_PAIR)表示当前未使用，1(_DELETED_PAIR)表示当前位置处于删除状态：

abstract class _HashBase implements _HashVMBase {
    ...
  static const int _UNUSED_PAIR = 0;
  static const int _DELETED_PAIR = 1;
   ...
}

查找操作

  V? operator [](Object? key) {
    var v = _getValueOrData(key);
    return identical(_data, v) ? null : internal.unsafeCast<V>(v);
  }

查找最终会调用到_getValueOrData

Object? _getValueOrData(Object? key) {
    final int size = _index.length;
    final int sizeMask = size - 1;
    final int maxEntries = size >> 1;
    final int fullHash = _hashCode(key);
    final int hashPattern = _HashBase._hashPattern(fullHash, _hashMask, size);
    int i = _HashBase._firstProbe(fullHash, sizeMask);
    int pair = _index[i];
    while (pair != _HashBase._UNUSED_PAIR) {
      if (pair != _HashBase._DELETED_PAIR) {
        final int entry = hashPattern ^ pair;
        if (entry < maxEntries) {
          final int d = entry << 1;
          if (_equals(key, _data[d])) {
            return _data[d + 1];
          }
        }
      }
      i = _HashBase._nextProbe(i, sizeMask);
      pair = _index[i];
    }
    return _data;
  }

从这个函数中我们就能了解到线性探测的过程了。首先通过调用_HashBase._firstProbe()来拿到首个地址：

static int _firstProbe(int fullHash, int sizeMask) {
    final int i = fullHash & sizeMask;
    // Light, fast shuffle to mitigate bad hashCode (e.g., sequential).
    return ((i << 1) + i) & sizeMask;
  }

首次探测就是把hashcode和数组长度取模，注意还有一步，是把i乘以3以后再取模。从注释上看是为了使hashcode分布更均匀一些。大家可以思考一下其中的原因。

首次探测以后拿到pair，如果这个pair是未占用状态说明键值对不存在，按约定直接返回_data数组。如果是删除状态就接着做二次探测。如果是正常占用状态，就将pair和hashPattern做异或，从前面的图可知，这样就得到了entry。检查entry未越界的话，将其乘以2就是key在_data数组中的位置了，最后判断key相等，则返回_data的下一个元素，即value。

二次探测会调用_HashBase._nextProbe()

static int _nextProbe(int i, int sizeMask) => (i + 1) & sizeMask;

源码可见就是挨个去试下一个地址。

赋值操作

  void operator []=(K key, V value) {
    final int size = _index.length;
    final int fullHash = _hashCode(key);
    final int hashPattern = _HashBase._hashPattern(fullHash, _hashMask, size);
    final int d = _findValueOrInsertPoint(key, fullHash, hashPattern, size);
    if (d > 0) {
      _data[d] = value;
    } else {
      final int i = -d;
      _insert(key, value, hashPattern, i);
    }
  }

赋值时会先调用_findValueOrInsertPoint()来寻找已存在的键值对，其逻辑和函数_getValueOrData类似。键值对存在则直接返回对应value在_data中的位置，然后直接赋值就完了。如果不存在的话，就会返回一个负数，这个负数其实就是经过探测以后在_index数组中的可用位置。有了这个位置就可以调用_insert()来做插入操作了。

void _insert(K key, V value, int hashPattern, int i) {
    if (_usedData == _data.length) {
      _rehash();
      this[key] = value;
    } else {
      assert(1 <= hashPattern && hashPattern < (1 << 32));
      final int index = _usedData >> 1;
      assert((index & hashPattern) == 0);
      _index[i] = hashPattern | index;
      _data[_usedData++] = key;
      _data[_usedData++] = value;
    }
  }

插入之前先判断_data数组是否已占满。满了的话就要调用_rehash()做扩容了。未满的话就是简单的赋值操作了，将_data的下一个空位除以2以后和hashPattern做或运算，然后放入_index数组，再将key和value紧挨着放入_data数组。

扩容操作

void _rehash() {
    if ((_deletedKeys << 2) > _usedData) {
      _init(_index.length, _hashMask, _data, _usedData);
    } else {
      _init(_index.length << 1, _hashMask >> 1, _data, _usedData);
    }
  }

扩容之前先看数组中是否有超过一半的元素是处于删除状态，是的话扩容长度和原数组长度是一样的，否则新数组长度为原长的2倍。为什么这么操作，我们接着看_ininit()函数。

void _init(int size, int hashMask, List? oldData, int oldUsed) {
    _index = new Uint32List(size);
    _hashMask = hashMask;
    _data = new List.filled(size, null);
    _usedData = 0;
    _deletedKeys = 0;
    if (oldData != null) {
      for (int i = 0; i < oldUsed; i += 2) {
        var key = oldData[i];
        if (!_HashBase._isDeleted(oldData, key)) {
          this[key] = oldData[i + 1];
        }
      }
    }
  }

这里会按新的长度新建_index和_data数组。接着会做拷贝，如果是已删除状态的键值对是不会被拷贝的。所以和原数组一样长的"扩容"过程其实就是把被删除的元素真正删除了。

删除操作

V? remove(Object? key) {
    final int size = _index.length;
    final int sizeMask = size - 1;
    final int maxEntries = size >> 1;
    final int fullHash = _hashCode(key);
    final int hashPattern = _HashBase._hashPattern(fullHash, _hashMask, size);
    int i = _HashBase._firstProbe(fullHash, sizeMask);
    int pair = _index[i];
    while (pair != _HashBase._UNUSED_PAIR) {
      if (pair != _HashBase._DELETED_PAIR) {
        final int entry = hashPattern ^ pair;
        if (entry < maxEntries) {
          final int d = entry << 1;
          if (_equals(key, _data[d])) {
            _index[i] = _HashBase._DELETED_PAIR;
            _HashBase._setDeletedAt(_data, d);
            V value = _data[d + 1];
            _HashBase._setDeletedAt(_data, d + 1);
            ++_deletedKeys;
            return value;
          }
        }
      }
      i = _HashBase._nextProbe(i, sizeMask);
      pair = _index[i];
    }
    return null;
  }

删除过程首先也是做线性探测。找到了的话就做两件事，首先将_index数组对应位置置为_HashBase._DELETED_PAIR。然后将_data数组对应位置置为_data。

遍历

我们知道，LinkedHashMap则会保证遍历顺序和插入顺序相同。那通过上面介绍我们了解到插入的键值对都按顺序保存在_data数组中了。那么遍历的时候只需要遍历_data数组自然就能按插入顺序遍历LinkedHashMap了。

bool moveNext() {
    if (_table._isModifiedSince(_data, _checkSum)) {
      throw new ConcurrentModificationError(_table);
    }
    do {
      _offset += _step;
    } while (_offset < _len && _HashBase._isDeleted(_data, _data[_offset]));
    if (_offset < _len) {
      _current = internal.unsafeCast<E>(_data[_offset]);
      return true;
    } else {
      _current = null;
      return false;
    }
  }

如果是删除状态的键值对是会被跳过的。

小结

Dart的LinkedHashMap实现和jdk的是不同的，大家初次接触的话可能会比较陌生，需要仔细研究一下源码来看看具体实现，也是能学到一些东西的。

总结

总体来说Dart的HashMap和LinkedHashMap实现还是比较简单的，并没有像jdk一样做一些细致的优化工作，这可能有待于Dart/Flutter的进一步发展吧。但我们也能看到不论是何种语言，一些基础的数据结构其设计思想都是相通的。掌握源码背后的设计思路就可以举一反三，不论是哪种新语言，新架构都可以快速掌握，最后，我把最开始的那几个问题连带粗浅的答案一起放在下面：

HashMap和LinkedHashMap有什么区别？

从API角度，HashMap遍历的时候不保证和插入顺序相同，而LinkedHashMap则会保证遍历顺序和插入顺序相同。

这个表达式final map = Map();得到的map是上面两种Map的那一种？

是LinkedHashMap。

HashMap底层的数据结构是什么样的？

数组+链表。

HashMap默认大小是多大？

8。

HashMap如何处理hash冲突？

链地址法。

HashMap何时扩容？如何扩容？

当键值对数量超过数组长度的75%时会发生扩容，而不是数组被占用超过75%的时候会发生扩容。扩容后的新数组长度将会是原数组长度的2倍，扩容过程采用头插法。

LinkedHashMap底层的数据结构是什么样的？

两个数组：_index和_data, _index数组以哈希码为下标记录对应键值对在_data数组中的位置。_data数组按插入顺序依次保存key和value。

LinkedHashMap如何处理hash冲突？

线性探测法。

LinkedHashMap何时扩容？如何扩容？

_data数组满时扩容，扩容之前先看数组中是否有超过一半的元素是处于删除状态，是的话扩容长度和原数组长度是一样的，否则新数组长度为原长的2倍。

最后

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