03-HashMap

HashMap

1、HashMap的主要参数都有哪些？

• 初始化桶容量，默认16，
• 负载系数，默认0.75
• 最大容量，2的30次方
• 扩容阈值，默认容量*负载系数，当元素个数达到阈值，再put进来元素，就会触发扩容
• table数组，

2、HashMap 的数据结构？

• 1.7是数组 + 链表，实体的数据结构是k-v，hash，next引用
• 1.8是数组+链表/红黑树

3、hash的计算规则？

• JDK8中使用扰动函数，32位hashCode中，高位不变，然后将高16位和低16位进行异或运算的结果作为低16位，最后的结果就是hash值，hash对长度减一做取余操作定位对应的桶；
• JDK7中稍微有点不一样

4、hash碰撞和解决方法？

• hash碰撞就是两个key通过hash值计算桶的位置的index，得到相同的index，这就是hash碰撞
• 解决hash碰撞，采用链地址法，jdk8中链的元素大于等于8个会转换为红黑树，小于等于6个则转换为链表。另外hash值计算时的扰动函数也可以减少hash碰撞

5、关于扩容

5.1 为什么扩容是以2的幂次？

• 为了便于hash计算后定位到桶，hash值对2的幂次取余在计算上是对该数-1进行按位与运算，效率高。(hash % len = hash | len-1 )
• 另外2倍扩容，可以减少resize的数据重分配。部分元素不需要移动，比如原来16，位于hash为21的在5的位置，扩容之后就在21的位置了，如果hash37原本也是在5的位置，扩容之后还是在5的位置，这样有助于分散处于一个桶中的多个元素，

5.2 HashMap的扩容时机，什么时候会进行rehash？

• 都是在插入元素的时候。不过稍微有点不一样，代码中1.8是在插入完成之后会检查扩容，1.7则是扩容之后，再头插法新增节点。扩容的思路都类似，就是扩大二倍，如果达到了最大值则不会扩容了，扩容的条件是元素个数达到阈值；

6、存取

6.1 HashMap put的过程

• 定位到桶，如果桶为空则直接插入，如果不为空，1.7 以前是在链表进行头插法，在1.8是进行尾插法，1.8还会进行链表和红黑树转换的阈值判断，检查是否需要转换为红黑树。
  另外在1.8中增加了putOnlyIfAbsent 的功能，在1.7中没有

//1.8
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        //1.扩容
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        //2.如果定位到桶没有元素，那么构建节点直接返回
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {
            Node<K,V> e; K k;
            //桶中第一个就找到了，直接返回，到后面处理
            if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            //处理红黑树的情况
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
                //
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    //如果遍历的过程未找到，就会到链表最后一个位置，因此1.8是尾插法
                    if ((e = p.next) == null) {
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        //如果大于等于8就转为红黑树，binCount大于等于7的话，链表总元素个数就大于等于8了
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    //如果遍历的过程中找到了，就会在这里break
                    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;
                //考虑onlyIfAbsent的情况
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                //返回旧元素
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount;
        //扩容
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }


//1.7
    public V put(K key, V value) {
        if (table == EMPTY_TABLE) {
            inflateTable(threshold);
        }
        //处理key为null
        if (key == null)
            return putForNullKey(value);
        int hash = hash(key);
        int i = indexFor(hash, table.length);
        //遍历链表
        for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
            Object k;
            //如果找到一样的key，那就替换，返回
            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;
            }
        }

        modCount++;
        //如果一直没有找到，就进行插入，这里面是头插法
        addEntry(hash, key, value, i);
        return null;
    }
    
 void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
        //检查扩容
        if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
            resize(2 * table.length);
            //重新计算hash
            hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
            bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
        }

        createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
    }
    
    //这里面能够看出来是头插法，原本的桶中元素作为next赋值给了新的节点
     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++;
    }

6.2 HashMap的get过程

• 先得到key的hash值，再把这个hash值与length-1按位与（取余），得到table数组的下标。取出这个下标值的key，与传入的key比较，如果相同那就是这个了。如果不同呢，那就沿着这个单向链表向后找，直到找到或找到结束也找不到，找不到返回null。

7、HashMap初始化传入的容量参数的值就是HashMap实际分配的空间么？

• 不是，空间是2的幂次,不管传入的数字是什么，最后会转成一个大于该数字的2的幂次。且构造之后不会分配空间，会在第一次put元素的时候存入

static final int tableSizeFor(int cap) {
        int n = cap - 1;
        n |= n >>> 1;
        n |= n >>> 2;
        n |= n >>> 4;
        n |= n >>> 8;
        n |= n >>> 16;
        return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
    }
//方法执行的效果就是将这个数字的所有位都置为1，最后加上1，就得到了2的幂次，并且数字不会过大，因为都是把这个数字的地位置为1了

8、为什么String, Interger这样的wrapper类适合作为键？

• 一个是因为不可变，另一个是因为已经重写了hashcode和equals方法
• String, Interger这样的wrapper类作为HashMap的键是再适合不过了，而且String最为常用。因为String是不可变的，也是final的，而且已经重写了equals()和hashCode()方法了。其他的wrapper类也有这个特点。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。如果你可以仅仅通过将某个field声明成final就能保证hashCode是不变的。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。

9、自定义对象做key什么要重写hashcode方法和equals方法？如果都不重写会怎么样？如果值重写一个会怎么样？

• 假设我们使用自定义对象作为key，new了两个一模一样的对象A和B，先用map.put(A,“123”),再使用map.get(B),肯定不能获取到“123”，因为这两个对象的hash值不等且equals也是返回false。但是我们肯定期望能够获取到123，因此我们需要重写这两个方法，让他们在属性一致的时候，hash值一致且equals为true，这样才能满足需求。
• 如果重写了hash，equals不一样，那么在get的时候，因为二者的equals为false，因此也是get不到的，
• 如果重写了equals，没有重写hash，那么AB的hash值不一样，那么也是get不到的，从源码我们可以看到不管是put还是get，判断key一致的条件是hash值首先要一样，然后要么equals为true，要么是一个对象(==wei true)

//key一致的条件首先要hash一致，其次要equals为true或者==为true，二者是必须同时满足的
if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))

• 结合HashMap的原理这里我们也可以看出我们我们不但要重写hashcode方法，还要尽量降低hashcode方法的冲突

10、HashMap的key是否可以为null

• key和value都可以为null

11、HashMap的复杂度

• HashMap整体上性能都非常不错，但是不稳定，为O(N/Buckets)，N就是以数组中没有发生碰撞的元素。
• 新增查找获取的复杂度都是O(N/Buckets),设计良好的话接近一O(1)
• 如果某个桶中的链表记录过大的话（大于等于8），就会把这个链动态变成红黑二叉树，使查询最差复杂度由O(N)变成了O(logN)

12、HashMap在JDK7和8的区别

• https://my.oschina.net/hosee/blog/618953
• https://blog.youkuaiyun.com/qq_36520235/article/details/82417949

对比维度	1.7	1.8
数据结构	数组 + 链表	数组 + 链表/红黑树
插入	链表头插法	尾插法
扩容	计算hash	不计算hash要么不动要么往后移动扩容的大小(通过和旧容量与运算得到)。
hash计算	9次扰动处理(4次位运算 + 5次异或)	2次扰动处理( 1次位运算 + 1次异或)

//1.7
final int hash(Object k) {
        int h = 0;
        if (useAltHashing) {
            if (k instanceof String) {
                return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);
            }
            h = hashSeed;
        }
        h ^= k.hashCode();
        h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
        return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
    }

//1.8
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);

13、我们能否让HashMap同步？

• Map m = Collections.synchronizedMap(map);思想很简单，返回的是一个SynchronizedMap,该类实现了Map接口，因此可以直接调用Map接口的方法，它内部持有真正的非线程安全的Map和一把锁(其实就是一个Object对象)，然后调用的时候都加锁，再调用内部Map的方法，让所有方法变成了同步方法，方式其实并不是很可取，推荐使用CocurrentHashMap。

14、HashMap 和 HashTable有何不同？

• HashTable的相关方法都是synchronized同步的get方法也是，比如get、put，putAll，remove、size、isEmpty、keys、contains、containsKey、clear、forEach等，甚至toString和equals都是同步方法，我们看到很多只读方法也是同步的，其实读取方法有时候没有必要同步，这样让它性能很低，比如单线程写多线程读取的时候我可以用HashMap，但是用HashTable多线程get都要排队，性能低。
• HashTable无论key或value都不能为null,HashMap只能允许一个key为null,可以运行多个value为null。而且HashTable是线程安全的，HashMap是线程不安全的。

15、JDK1.8中对 HashMap做了哪些性能优化？

• 主要是：链表和红黑树的转换，阈值分表为6和8
• 旧版本的HashMap存在一个问题，即使负载因子和Hash算法设计的再合理，也免不了会出现拉链过长的情况，一旦出现拉链过长，则会严重影响HashMap的性能。于是，在JDK1.8版本中，对数据结构做了进一步的优化，引入了红黑树。而当链表长度太长（TREEIFY_THRESHOLD默认超过8）时，链表就转换为红黑树，利用红黑树快速增删改查的特点提高HashMap的性能（O(logn)）。当长度小于（UNTREEIFY_THRESHOLD默认为6），就会退化成链表。
• 扩容时，1.7需要重新计算hash，1.8不需要，并且要么元素不动，要么元素移动一个2的N次方
• 参考

16、高并发下HashMap为什么会线程不安全?

• JDK 1.7 下死循环（头插法导致）
• JDK 1.8 下值覆盖（尾插法规避了死循环，但是会出现值覆盖），两个线程对同一个位置进行put操作，对应桶为null且hash冲突时，线程A put完之后，线程B解挂后再操作时，因B之前已经判断过hash，就不判断直接写入

参考：HashMap 线程不安全的体现

• 下面是我给出的一个简单的1.8下值覆盖的例子，hashmap保存的键值对中键和值都是一样的，理论上线程安全就会有10万个键值对，由于线程不安全，少于10万个，并且打印出键值不等的键值对

public class HashMapTest {

    public static final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(5);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        HashMapThread thread1 = new HashMapThread("HashMap-TestThread-1");
        HashMapThread thread2 = new HashMapThread("HashMap-TestThread-2");
        HashMapThread thread3 = new HashMapThread("HashMap-TestThread-3");
        HashMapThread thread4 = new HashMapThread("HashMap-TestThread-4");
        HashMapThread thread5 = new HashMapThread("HashMap-TestThread-5");
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread3.start();
        thread4.start();
        thread5.start();
        latch.await();
        System.out.println("size: " + HashMapThread.map.size());
        for (Integer i : HashMapThread.map.keySet()) {
            if (!HashMapThread.map.get(i).equals(i)) {
                System.out.println(i + "  》》 " + HashMapThread.map.get(i));
            }
        }
    }
}


public class HashMapThread extends Thread {

    private static AtomicInteger count = new AtomicInteger();
    public static Map<Integer, Integer> map = new HashMap<>();

    public HashMapThread(String name) {
        super(name);
    }

    @Override
    public void run() {
        while (count.get() < 1000000) {
            map.put(count.get(), count.get());
            count.incrementAndGet();
        }
        HashMapTest.latch.countDown();
    }
}

• 部分打印如下,可以看到只有不到6万个键值对，每次都不一样，而且被覆盖的值和原本正确的值相差只有一两个数，因为原子变量是递增的，这体现出了HashMap的值覆盖问题

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