HashMap

最新推荐文章于 2025-03-09 19:47:30 发布

Dismay十二

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分类专栏： java面试

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本文全面解析HashMap的工作原理，包括数组、链表、红黑树的优劣，深入探讨HashMap的内部结构、put方法、扩容机制及并发缺陷。并对比Java7与Java8的差异，以及ConcurrentHashMap的线程安全实现。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

第一部分：基础入门

1.数组的优劣

优：读取速度快，直接数组下标取出

劣：空间大小固定，不能扩展

2.链表的优劣

优：空间大小不固定，易插入

劣：只存头节点，索引速度很慢，需要遍历

3.4.散列表

数组中保存的数据是一个链表。

在这里插入图片描述

5.哈希

在这里插入图片描述

第二部分：HashMap原理讲解

1.HashMap的继承体系结构

在这里插入图片描述

java8之前：HashMap是一个Entry对象的数组。数组中的每一个Entry元素，又是一个链表的头节点。

java8之后：是一个Node如下定义。

2.Node数据结构分析

在这里插入图片描述

3.底层存储结构

默认数组长度16。
数组+链表+红黑树

jdk7以前数组+链表头插法（设计者认为后来的数据被查找的概率大）有可能形成环。

第四小节有附加，讲解形成环，因为并发。

jdk8之后数组+链表+红黑树尾插法

在这里插入图片描述

4.put数据原理分析

5.Hash碰撞

两个Node节点的Hash出来的数组下标一致。

6.什么是链化

就是因为 Hash碰撞，节点开始以链表的形式存储，

7.jdk8为什么引入红黑树

解决链表长度过长，提高查找效率

8.扩容原理

空间换时间，提高查找效率。

第三部分：手撕源码

1.HashMap核心属性分析

1.为什么数组大小为2的倍数？

为了让一个元素的key经hash运算后落在数组范围内，且数据相对分散，肯定采用取模操作%。但是，“模”运算的消耗还是比较大的，源代码中采用了与运算的操作，hash值与len-1，这里只有当len为2的指数倍，才能出现h%len=h&(len-1)。让数据均于分布，若是其它数据会导致，某个值更容易出现，或者不会出现的情况。

在这里插入图片描述

为什么是16？只要是2的倍数都行。

在这里插入图片描述

2.负载因子为什么是0.75.

这个值是根据概率泊松分布得出，扩容size*0.75,即不会让数组中的值过度碰撞，造成查询时间复杂度的变大，也不会数组空间还很多就扩容。0.75时时间复杂度与空间复杂度上的一个平衡点。

在这里插入图片描述

树降级层链表默认值6.UNTREEIFY_THRESHOLD=6

3.什么时候树化

树化的另一个参数：当hash表中的所有元素个数超过64时，才会允许树化。MIN_TREEIFY_CAPACITY=64

当所有元素超过64且单个节点元素大于8，使用红黑树。

在这里插入图片描述

threshold=capacity*0.75

2.构造方法分析

2.1 4个构造方法：

2.1.1第一个：

在这里插入图片描述

做了一些基本的初始合法校验。

最后一行的tableSizeFor方法，就是保证数组长度为2的次方，保证数组大小为最接近当前传入值（且大于）的一个值。

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为什么这样操作就能是2的倍数。可以看这个链接为什么是2的倍数
核心思想：这样移动，就会让最高位1后，全部变为1，即为0x01111111的形式，然后return再加个1，自然变成0x10000000的形式，就为2的倍数了，且最接近给的值。

2.1.2第二个

在这里插入图片描述

2.1.3第三个

在这里插入图片描述

2.1.4第四个

在这里插入图片描述

3.HashMap的put方法

在这里插入图片描述

put方法套的putval方法，里面又有个hash（key）

先看hash

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由函数可见：当key为null时，放在数组的0号位置。

让高16位也参与路由（求index）运算。

putval

在这里插入图片描述

4.扩容方法分析

什么时候扩容？

当hashmap中的元素个数超过数组大小*loadFactor时，就会进行数组扩容，loadFactor的默认值为0.75，也就是说，默认情况下，数组大小为16，那么当hashmap中元素个数超过16*0.75=12的时候，就把数组的大小扩展为2*16=32，即扩大一倍，然后重新计算每个元素在数组中的位置，而这是一个非常消耗性能的操作，所以如果我们已经预知hashmap中元素的个数，那么预设元素的个数能够有效的提高hashmap的性能。

比如说，我们有1000个元素new HashMap(1000), 但是理论上来讲new HashMap(1024)更合适，不过上面已经说过，即使是1000，hashmap也自动会将其设置为1024。但是new HashMap(1024)还不是更合适的，因为0.75*1024 < 1000, 也就是说为了让0.75 * capcity> 1000, 我们必须这样new HashMap(2048)才最合适，既考虑了&的问题，也避免了resize的问题。

0.75*数组容量>你的现有元素个数

resize主要的两个步骤：

1.扩容

创建一个新的Entry空数组，长度是原数组的2倍。

2.ReHash（并发情况下有可能形成链表环）

遍历原Entry数组，把所有的Entry重新Hash到新数组。为什么要重新Hash呢？因为长度扩大以后，Hash的规则也随之改变。

第四部分：附加

1.Hashmap并发下的缺陷

上面已经提到高并发下的rehash易形成一个链表环。

假设一个HashMap已经到了Resize的临界点。此时有两个线程A和B，在同一时刻对HashMap进行Put操作。就容易产生环。

链接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/31614195 别忘记插入过程是头插。就好理解了。

1.假设现在线程A，B同时插入两个值，均会触发扩容。
在这里插入图片描述

2.插入后扩容
在这里插入图片描述

3.扩容完成，开始rehash。

在这里插入图片描述

rehash代码：

在这里插入图片描述

4.现在假设线程B rehash 到，entry3，刚执行到上方红框处。此时源数据还在，

e=entry3；

e.next=entry2，现在线程B挂起，A开始畅通执行完毕。

5.线程A执行完毕情况，此时源数据已经不再，B再rehash是从A中取值。

在这里插入图片描述

6.此时因为没有加锁，B接着上面，插入，插入entry3之后，开始插入entry2，entry2插入后，接着插入，开始读数据，此时读到的entry2.next为entry3，（而不是源数据中entry2.next=entry1），然而entry3早已插入，这样由于头插法就形成了个环。

这时若调用get一个不存在的值，它的key的hash正好为3，那么就会进入一个死循环。

为什么高并发情况下hashmap可能出现死循环。

2.jdk8中的不同

1.java8中链表节点的数据类型发生了改变，Entry变为Node，因为java8中引入了而红黑树。

java7 transient Entry<k,v>[] table
java8 transient Node<k,v>[] table

2.通过红黑树让查询更有效率（O(n)—>O(Log(n))）

3.让扩容时重哈希(rehash)的成本变得更小

因为定位操作是与运算，只要看原hash值的高一位是1还是0，是0就不动，是1就加oldcap。

扩容后的元素要么在原位置，要么在原位置再移动2次幂的位置，整个过程只需要使用一个**位运算符<<**就可以了。我们在扩充HashMap的时候，不需要像JDK1.7的实现那样重新计算hash，只需要看看原来的hash值新增的那个bit是1还是0就好了，是0的话索引没变，是1的话索引变成“原索引+oldCap”，

在这里插入图片描述
整个过程梳理