面试HashMap之追命5连问

Posted 2021-02-14 jobbible

 

 

1、HashMap底层实现数据结构？

总的来说，HashMap就是数组+链表的组合实现，每个数组元素存储一个链表的头结点，本质上来说是哈希表“拉链法”的实现。

HashMap的链表元素对应的是一个静态内部类Entry，Entry主要包含key，value，next三个元素

在Jdk1.8中HashMap的实现方式做了一些改变，但是基本思想还是没有变得，只是在一些地方做了优化，下面来看一下这些改变的地方,数据结构的存储由数组+链表的方式，变化为数组+链表+红黑树的存储方式，在性能上进一步得到提升。

2、 如何解决Hash冲突？ put方法原理？

HashMap 采用一种所谓的“Hash 算法”来决定每个元素的存储位置。当程序执行 map.put(String,Obect)方法 时，系统将调用String的 hashCode() 方法得到其 hashCode 值——每个 Java 对象都有 hashCode() 方法，都可通过该方法获得它的 hashCode 值。得到这个对象的 hashCode 值之后，系统会根据该 hashCode 值来决定该元素的存储位置

put方法分析：

public V put(K key, V value) {
    //调用putVal()方法完成
    return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
               boolean evict) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
    //判断table是否初始化，否则初始化操作
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        n = (tab = resize()).length;
    //计算存储的索引位置，如果没有元素，直接赋值
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    else {
        Node<K,V> e; K k;
        //节点若已经存在，执行赋值操作
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            e = p;
        //判断链表是否是红黑树
        else if (p instanceof TreeNode)
            //红黑树对象操作
            e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
        else {
            //为链表，
            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                if ((e = p.next) == null) {
                    p.next = newNode(hash, key, value, null);
                    //链表长度8，将链表转化为红黑树存储
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                        treeifyBin(tab, hash);
                    break;
                }
                //key存在，直接覆盖
                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;
        }
    }
    //记录修改次数
    ++modCount;
    //判断是否需要扩容
    if (++size > threshold)
        resize();
    //空操作
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}

　　

下面将这个过程总结一下：

1、计算key的hash值，算出元素在底层数组中的下标位置。

2、通过下标位置定位到底层数组里的元素（也有可能是链表也有可能是树）。

3、取到元素，判断放入元素的key是否==或equals当前位置的key，成立则替换value值，返回旧值。

4、如果是树，循环树中的节点，判断放入元素的key是否==或equals节点的key，成立则替换树里的value，并返回旧值，不成立就添加到树里。

5、否则就顺着元素的链表结构循环节点，判断放入元素的key是否==或equals节点的key，成立则替换链表里value，并返回旧值，找不到就添加到链表的最后。

精简一下，判断放入HashMap中的元素要不要替换当前节点的元素，key满足以下两个条件即可替换：

1、hash值相等。

2、==或equals的结果为true。

 

3、 为什么String, Interger这样的类适合作为键？

String, Interger这样的类作为HashMap的键是再适合不过了，而且String最为常用。 
因为String对象是不可变的，而且已经重写了equals()和hashCode()方法了。

　　1.不可变性是必要的，因为为了要计算hashCode()，就要防止键值改变，如果键值在放入时和获取时返回不同的hashcode的话，那么就不能从HashMap中找到你想要的对象。不可变性还有其他的优点如线程安全。

2.因为获取对象的时候要用到equals()和hashCode()方法，那么键对象正确的重写这两个方法是非常重要的。如果两个不相等的对象返回不同的hashcode的话，那么碰撞的几率就会小些，这样就能提高HashMap的性能。
　

4、HashMap与HashTable的区别？

Hashtable可以看做是线程安全版的HashMap，两者几乎“等价”（当然还是有很多不同）。Hashtable几乎在每个方法上都加上synchronized（同步锁），实现线程安全。

区别
　　1.HashMap继承于AbstractMap，而Hashtable继承于Dictionary； 
　　2.线程安全不同。Hashtable的几乎所有函数都是同步的，即它是线程安全的，支持多线程。而HashMap的函数则是非同步的，它不是线程安全的。若要在多线程中使用HashMap，需要我们额外的进行同步处理； 
　　3.null值。HashMap的key、value都可以为null。Hashtable的key、value都不可以为null； 
　　4.迭代器(Iterator)。HashMap的迭代器(Iterator)是fail-fast迭代器，而Hashtable的enumerator迭代器不是fail-fast的。所以当有其它线程改变了HashMap的结构（增加或者移除元素），将会抛出ConcurrentModificationException。 
　　5.容量的初始值和增加方式都不一样：HashMap默认的容量大小是16；增加容量时，每次将容量变为“原始容量x2”。Hashtable默认的容量大小是11；增加容量时，每次将容量变为“原始容量x2 + 1”； 
　　6.添加key-value时的hash值算法不同：HashMap添加元素时，是使用自定义的哈希算法。Hashtable没有自定义哈希算法，而直接采用的key的hashCode()。 
　　7.速度。由于Hashtable是线程安全的也是synchronized，所以在单线程环境下它比HashMap要慢。如果你不需要同步，只需要单一线程，那么使用HashMap性能要好过Hashtable。

能否让HashMap同步？ 
HashMap可以通过下面的语句进行同步：Map m = Collections.synchronizeMap(hashMap);

 

5、CurrentHashMap是如何实现并发的？

HashTable容器在竞争激烈的并发环境下表现出效率低下的原因，是因为所有访问HashTable的线程都必须竞争同一把锁。

那假如容器里有多把锁，每一把锁用于锁容器其中一部分数据，那么当多线程访问容器里不同数据段的数据时，线程间就不会存在锁竞争，从而可以有效的提高并发访问效率，这就是ConcurrentHashMap所使用的锁分段技术。

首先将数据分成一段一段的存储，然后给每一段数据配一把锁，当一个线程占用锁访问其中一个段数据的时候，其他段的数据也能被其他线程访问。有些方法需要跨段，比如size()和containsValue()，它们可能需要锁定整个表而而不仅仅是某个段，这需要按顺序锁定所有段，操作完毕后，又按顺序释放所有段的锁。

这里“按顺序”是很重要的，否则极有可能出现死锁，在ConcurrentHashMap内部，段数组是final的，并且其成员变量实际上也是final的，但是，仅仅是将数组声明为final的并不保证数组成员也是final的，这需要实现上的保证。这可以确保不会出现死锁，因为获得锁的顺序是固定的。

ConcurrentHashMap是由Segment数组结构和HashEntry数组结构组成。

Segment是一种可重入锁ReentrantLock，在ConcurrentHashMap里扮演锁的角色，HashEntry则用于存储键值对数据。一个ConcurrentHashMap里包含一个Segment数组，Segment的结构和HashMap类似，是一种数组和链表结构， 一个Segment里包含一个HashEntry数组，每个HashEntry是一个链表结构的元素， 每个Segment守护者一个HashEntry数组里的元素,当对HashEntry数组的数据进行修改时，必须首先获得它对应的Segment锁。

JDK1.8中的实现

ConcurrentHashMap取消了segment分段锁，而采用CAS和synchronized来保证并发安全。数据结构跟HashMap1.8的结构一样，数组+链表/红黑二叉树。
synchronized只锁定当前链表或红黑二叉树的首节点，这样只要hash不冲突，就不会产生并发，效率又提升N倍。

JDK1.8的ConcurrentHashMap的结构图如下：

TreeBin: 红黑二叉树节点
Node: 链表节点