2020年Java面试208题 019-请描述HashMap的底层原理

时间：2021年10月15日星期五 多云

1. 题目

大家好，我是小崔爱读书，继续Java面试208题的第19题，今天面试官的问题是：请说说HashMap的底层原理。

2. 知识点分析

HashMap是Java开发中非常频繁使用的集合，哪怕是Java新手也应该可以熟练使用HashMap，也知道这个东西里面存储的就是键值对，但要说到底层原理和逻辑，可能很多程序员还真不太能将清楚，我认为要想做到深层次的剖析HashMap，得知道以下这几点内容：

  1. HashMap类的每个键值对都是一个对象， 类型是HashMap的内部类 Node 。

  2. HashMap类的内部将其实是所有HashMap.Node 对象的数组。

  3. HashMap类将每个HashMap.Node对象Key值进行Hash计算，以决定其在数组中的位置。

  4. 一个数组中的位置如果有多个Node对象，将以链表方式管理。

基本差不多了，这几个知识点理解清楚了，HashMap在你面前就是赤条条的了，毫无秘密可言。

现在我分别来解释一下。

2.1. HashMap的键值对是一个对象

所有的Java程序员都知道，HashMap是管理键值对的，这个键值对具体是怎么管理的呢？

HashMap内部类有一个Node类，就是用来存储键值对的。

我们总说键值对，键值对，感觉好像是一对儿东西，其实不是，其实在HashMap内部这是一个东西，就是HashMap中，每个键值对其实是一个对象。

这种管理方式其实也不是HashMap这样设计的，而是Map接口就已经这样定义了，在Map接口内部有一个Entry接口，就是用来存储键值对的。HashMap的Node类，就是实现了Map的Entry接口。

2.2. HashMap将所有的Node对象，即所有的键值对存储为一个数组

刚刚说了，一个键值对就是一个HashMap.Node对象，那么HashMap就是管理多个HashMap.Node对象的集合了。

那么，如果既然每个键值对就是一个对象，那HashMap其实也就是存储了多个对象。

那么，这个特性与数组是不是一样的？想想数组是存储啥的？数组就是存储多个类型相同的对象的嘛。HashMap只是比较特殊，他存储的对象的类型要求必须是Node类型的。

所以，HashMap在实现的时候，就将所有的键值对对象，存储为一个数组了。

这个数组的长度是根据键值对的数量而动态调整的，但不是简单的一对一的，也就是说，并不是有10个键值对，这个数组长度就是10。而是初始化的时候数组长度为1，每次会扩容一倍，具体的扩容时机，我等会儿再说。

2.3. 键值对放在数组的位置，是根据Key值进行Hash计算而得到的

键值对的数组并不是普通的数组那样，所有的元素都顺序的排放，而是根据Key值进行Hash计算，最后得到一个位置，然后将键值对放在这个数组位置。

2.4. HashMap的Hash冲突问题

既然是计算Key值得到的键值对的位置索引，那么就出现了一个问题，如果两个Key值计算后位置索引是相同的怎么办呢？这就叫Hash冲突。

这个问题造成的结果是，我们每个数组中只有一个位置放一个键值对对象，但现在突然来了两个对象，这就冲突了。

2.5. Hash冲突的时候，就以链表方式管理多个键值对

当出现Hash冲突问题的时候，HashMap将多个键值对组成链表，数组中只存储链表的头对象。需要查找的时候就根据Key值的Hash计算到数组的位置，然后再遍历链表，找到正确的键值对。

2.6.  HashMap扩容机制和扩容时机

HashMap会出现Hash冲突，这个很正常。从概率来说，HashMap的数组越长，出现Hash冲突的概率就越低。因此HashMap就提供了一个扩容机制，即当键值对太多的时候，就把数组在弄大一点，这就降低了Hash冲突的可能性。

什么时候扩容呢？HashMap有一个算法，一般来说是当数组的长度小于 0.75倍的键值对个数，然后又出现了一次Hash冲突的时候，就会启动扩容了。

2.7. 当链表长度超过8个的时候将采用红黑树的方式存储

就是说，当某个数组索引下的键值对太多了，链表就太长了。

当长度超过8个的时候，就会转为红黑树了。

因为链表的查找速度慢，而红黑树的性能要强的太多了，因此转为红黑树存储了。至于红黑树的概念，这里不做扩展解释，以后有机会再讲。

3. 模拟面试

好的，接下来，我就演示一下模拟面试。

面试官您好。

首先，HashMap是实现的Map接口，是Java最重要的集合之一。

HashMap存储的是键值对，每个键值对都存储为一个 Node对象，这个Node类是HashMap的内部类。

多个键值对，即Node对象，在HashMap中主要以数组的方式存储。也就是说HashMap内部首先开辟一个数组控件，然后将键值对放到这个数组中。

但是HashMap对数组的管理并不是普通的顺序摆放的方式，就是不同于线性数组对元素的管理，第1个元素放到第1个位置，第2个索引放到第2个位置。HashMap对键值对的Key进行Hash计算，计算后得到一个整数值，然后根据整数取余计算得到一个索引值，然后把键值对放到该索引值对应的数组中的位置。这样的管理方式在放入对象的时候有点儿繁琐，也不是很繁琐，一点点的小计算而已，但取数据的时候就会非常快。因为线性数组的话，找一个元素只能遍历，但HashMap则是简单计算后直接得到索引位置，这个速度要快的多，数组越大，元素越多，速度提升越明显。

了解了这个存储方式，就能力理解为什么HashMap中的键值对的顺序是无序的，为啥存储方式并不是按照插入的先后顺序排列的。

但这就有一个小麻烦出现了，因为键值对的Hash值是可能重复的，就造成了两个键值对要放到数组中相同的索引位置的问题。这就是Hash冲突问题。

HashMap解决Hash冲突问题采用的是链表的方式，当两个键值对在一个位置的时候，将两个键值对做出链表，然后将链表首位的键值对放入数组索引中。这样，数组索引位置还是只有一个键值对，但键值对下面还有链表找到其他的键值对。可以想象HashMap的结构有点儿像是一只蜈蚣，一节节的都是键值对，当某一节的键值对数量超过1个了，就放到这一节的腿上。

这里又有一个小问题，链表的速度也不是很快啊，是啊，我们知道链表中插入数据很快，但如果查找数据速度并不快，链表中的元素少的话还不是问题，如果元素多的话，性能就很是问题了。

HashMap的数组某个索引位置如果键值对太多，那么链表就太长了，那检索元素的速度又慢了。

为了解决这个问题，HashMap采用了链表转红黑树的机制，当某个链表长度超过8个的时候，就将链表转为红黑树，红黑树的查找速度比链表要快的多。转换的时机就是看链表的长度是否超过了8个，一旦超过8个就转换。

由于HashMap主要以数组的方式存储键值对，这就存在数组长度太小的情况，这就需要在合适的时机进行扩容。原则上就是元素太多，数组长度太短，就要扩容了。一般来说，HashMap是判断如果数组的长度小于元素的数量乘以0.75，并且新加入一个键值对出现了Hash冲突，这时候就会扩容。

一旦扩容，HashMap就会重新组织数组，重新处理链表，重新整理红黑树，这个过程就会在一定程度上造成性能问题和系统开销。

好的，这就是我对HashMap底层的理解。

4. 总结

好的，本期就到这里，希望对您有所帮助，我们下期再见。