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Java集合专题总结(1):HashMap 和 HashTable 源码学习和面试总结

2017年的秋招彻底结束了,感觉Java上面的最常见的集合相关的问题就是hash……系列和一些常用并发集合和队列,堆等结合算法一起考察,不完全统计,本人经历:先后百度、唯品会、58同城、新浪微博、趣分期、美团点评等都在1、2……面的时候被问过无数次,都问吐了&_&,其他公司笔试的时候,但凡有Java的题,都有集合相关考点,尤其hash表……现在总结下。

  • 2016-12-15 更新:Java 8 对 HashMap 的改进
  • 2016-12-12 整理jdk 1.8之前的HashMap实现

 

2016-12-15 更新:Java 8 对 HashMap 的改进

如果说Java的hashmap是数组+链表,那么JDK 8之后就是数组+链表+红黑树组成了hashmap。之前的实现机制和原理在下面12-12期整理过,这次只说下新加的红黑树机制。

在之前谈过,如果hash算法不好,会使得hash表蜕化为顺序查找,即使负载因子和hash算法优化再多,也无法避免出现链表过长的情景(这个概论虽然很低),于是在JDK1.8中,对hashmap做了优化,引入红黑树。具体原理就是当hash表中每个桶附带的链表长度默认超过8时,链表就转换为红黑树结构,提高HashMap的性能,因为红黑树的增删改是O(logn),而不是O(n)。

红黑树的具体原理和实现以后再总结。

主要看put方法实现

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

封装了一个final方法,里面用到一个常量,具体用处看源码:

static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;

下面是具体源代码注释:

 1     final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
 2                    boolean evict) {
 3         Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
 4         if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) // 首先判断hash表是否是空的,如果空,则resize扩容
 5             n = (tab = resize()).length;
 6         if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) // 通过key计算得到hash表下标,如果下标处为null,就新建链表头结点,在方法最后插入即可
 7             tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
 8         else { // 如果下标处已经存在节点,则进入到这里
 9             Node<K,V> e; K k;
10             if (p.hash == hash &&
11                 ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) // 先看hash表该处的头结点是否和key一样(hashcode和equals比较),一样就更新
12                 e = p;
13             else if (p instanceof TreeNode) // hash表头结点和key不一样,则判断节点是不是红黑树,是红黑树就按照红黑树处理
14                 e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
15             else { // 如果不是红黑树,则按照之前的hashmap原理处理
16                 for (int binCount = 0; ; ++binCount) { // 遍历链表
17                     if ((e = p.next) == null) {
18                         p.next = newNode(hash, key, value, null);
19                         if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st (原jdk注释) 显然当链表长度大于等于7的时候,也就是说大于8的话,就转化为红黑树结构,针对红黑树进行插入(logn复杂度)
20                             treeifyBin(tab, hash);
21                         break;
22                     }
23                     if (e.hash == hash &&
24                         ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) 
25                         break;
26                     p = e;
27                 }
28             }
29             if (e != null) { // existing mapping for key
30                 V oldValue = e.value;
31                 if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
32                     e.value = value;
33                 afterNodeAccess(e);
34                 return oldValue;
35             }
36         }
37         ++modCount;
38         if (++size > threshold) // 如果超过容量,即扩容
39             resize();
40         afterNodeInsertion(evict);
41         return null;
42     }
View Code

resize是新的扩容方法,之前谈过,扩容原理是使用新的(2倍旧长度)的数组代替,把旧数组的内容放到新数组,需要重新计算hash和计算hash表的位置,非常耗时,但是自从 JDK 1.8 对hashmap 引入了红黑树,它和之前的扩容方法有了改进。

扩容方法的改进

 1     final Node<K,V>[] resize() {
 2         Node<K,V>[] oldTab = table;
 3         int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
 4         int oldThr = threshold;
 5         int newCap, newThr = 0;
 6         if (oldCap > 0) {
 7             if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
 8                 threshold = Integer.MAX_VALUE;
 9                 return oldTab;
10             }
11             else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY && 
12                      oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY) // 如果长度没有超过最大值,则扩容为2倍的关系
13                 newThr = oldThr << 1; // double threshold
14         }
15         else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
16             newCap = oldThr;
17         else {               // zero initial threshold signifies using defaults
18             newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
19             newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
20         }
21         if (newThr == 0) {
22             float ft = (float)newCap * loadFactor;
23             newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
24                       (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
25         }
26         threshold = newThr;
27         @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
28             Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
29         table = newTab;
30         if (oldTab != null) { // 进行新旧元素的转移过程
31             for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
32                 Node<K,V> e;
33                 if ((e = oldTab[j]) != null) {
34                     oldTab[j] = null;
35                     if (e.next == null)
36                         newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
37                     else if (e instanceof TreeNode) 
38                         ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
39                     else { // preserve order(原注释) 如果不是红黑树的情况这里改进了,没有rehash的过程,如下分别记录链表的头尾
40                         Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
41                         Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
42                         Node<K,V> next;
43                         do {
44                             next = e.next;
45                             if ((e.hash & oldCap) == 0) {
46                                 if (loTail == null)
47                                     loHead = e;
48                                 else
49                                     loTail.next = e;
50                                 loTail = e;
51                             }
52                             else {
53                                 if (hiTail == null)
54                                     hiHead = e;
55                                 else
56                                     hiTail.next = e;
57                                 hiTail = e;
58                             }
59                         } while ((e = next) != null);
60                         if (loTail != null) {
61                             loTail.next = null;
62                             newTab[j] = loHead;
63                         }
64                         if (hiTail != null) {
65                             hiTail.next = null;
66                             newTab[j + oldCap] = hiHead;
67                         }
68                     }
69                 }
70             }
71         }
72         return newTab;
73     }
View Code

因为有这样一个特点:比如hash表的长度是16,那么15对应二进制是:

0000 0000, 0000 0000, 0000 0000, 0000 1111 = 15

扩容之前有两个key,分别是k1和k2:

k1的hash:

0000 0000, 0000 0000, 0000 0000, 0000 1111 = 15

k2的hash:

0000 0000, 0000 0000, 0000 0000, 0001 1111 = 15

hash值和15模得到:

k1:0000 0000, 0000 0000, 0000 0000, 0000 1111 = 15

k2:0000 0000, 0000 0000, 0000 0000, 0000 1111 = 15

扩容之后表长对应为32,则31二进制:

0000 0000, 0000 0000, 0000 0000, 0001 1111 = 31

重新hash之后得到:

k1:0000 0000, 0000 0000, 0000 0000, 0000 1111 = 15

k2:0000 0000, 0000 0000, 0000 0000, 0001 1111 = 31 = 15 + 16

观察发现:如果扩容后新增的位是0,那么rehash索引不变,否则才会改变,并且变为原来的索引+旧hash表的长度,故我们只需看原hash表长新增的bit是1还是0,如果是0,索引不变,如果是1,索引变成原索引+旧表长,根本不用像JDK 7 那样rehash,省去了重新计算hash值的时间,而且新增的bit是0还是1可以认为是随机的,因此resize的过程,还能均匀的把之前的冲突节点分散。 

故JDK 8对HashMap的优化是非常到位的。

 

如下是之前整理的旧hash的实现机制和原理,并和jdk古老的hashtable做了比较。


 

2016-12-12 整理jdk 1.8之前的HashMap实现:

  • Java集合概述
  • HashMap介绍
  • HashMap源码学习
  • 关于HashMap的几个经典问题
  • HashTable介绍和源码学习
  • HashMap 和 HashTable 比较

 

先上图

Set和List接口是Collection接口的子接口,分别代表无序集合和有序集合,Queue是Java提供的队列实现。

 

Map用于保存具有key-value映射关系的数据

Java 中有四种常见的Map实现——HashMap, TreeMap, Hashtable和LinkedHashMap:

  • HashMap就是一张hash表,键和值都没有排序。
  • TreeMap以红黑树结构为基础,键值可以设置按某种顺序排列。
  • LinkedHashMap保存了插入时的顺序。
  • Hashtable是同步的(而HashMap是不同步的)。所以如果在线程安全的环境下应该多使用HashMap,而不是Hashtable,因为Hashtable对同步有额外的开销,不过JDK 5之后的版本可以使用conncurrentHashMao代替HashTable。

本文重点总结HashMap,HashMap是基于哈希表实现的,每一个元素是一个key-value对,其内部通过单链表解决冲突问题,容量不足(超过了阀值)时,同样会自动增长。

HashMap是非线程安全的,只用于单线程环境下,多线程环境下可以采用concurrent并发包下的concurrentHashMap。

HashMap 实现了Serializable接口,因此它支持序列化。

HashMap还实现了Cloneable接口,故能被克隆。

 

关于hashmap的用法,这里就不再赘述了,只说原理和一些注意点。

HashMap的存储结构

紫色部分即代表哈希表本身(其实是一个数组),数组的每个元素都是一个单链表的头节点,链表是用来解决hash地址冲突的,如果不同的key映射到了数组的同一位置处,就将其放入单链表中保存。

 

HashMap有四个构造方法,方法中有两个很重要的参数:初始容量和加载因子

这两个参数是影响HashMap性能的重要参数,其中容量表示哈希表中槽的数量(即哈希数组的长度),初始容量是创建哈希表时的容量(默认为16),加载因子是哈希表当前key的数量和容量的比值,当哈希表中的条目数超出了加载因子与当前容量的乘积时,则要对该哈希表提前进行 resize 操作(即扩容)。如果加载因子越大,对空间的利用更充分,但是查找效率会降低(链表长度会越来越长);如果加载因子太小,那么表中的数据将过于稀疏(很多空间还没用,就开始扩容了),严重浪费。

JDK开发者规定的默认加载因子为0.75,因为这是一个比较理想的值。另外,无论指定初始容量为多少,构造方法都会将实际容量设为不小于指定容量的2的幂次方,且最大值不能超过2的30次方。

 

重点分析HashMap中用的最多的两个方法put和get的源码

 1     // 获取key对应的value
 2     public V get(Object key) {
 3         if (key == null)
 4             return getForNullKey();
 5         // 获取key的hash值
 6         int hash = hash(key.hashCode());
 7         // 在“该hash值对应的链表”上查找“键值等于key”的元素
 8         for (Entry<K, V> e = table[indexFor(hash, table.length)]; e != null; e = e.next) {
 9             Object k;
10             // 判断key是否相同
11             if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))
12                 return e.value;
13         }
14         // 没找到则返回null
15         return null;
16     }
17 
18     // 获取“key为null”的元素的值,HashMap将“key为null”的元素存储在table[0]位置,但不一定是该链表的第一个位置!
20     private V getForNullKey() {
21         for (Entry<K, V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
22             if (e.key == null)
23                 return e.value;
24         }
25         return null;
26     }
get方法源码

首先,如果key为null,则直接从哈希表的第一个位置table[0]对应的链表上查找。记住,key为null的键值对永远都放在以table[0]为头结点的链表中,当然不一定是存放在头结点table[0]中。如果key不为null,则先求的key的hash值,根据hash值找到在table中的索引,在该索引对应的单链表中查找是否有键值对的key与目标key相等,有就返回对应的value,没有则返回null。

 1     // 将“key-value”添加到HashMap中
 2     public V put(K key, V value) {
 3         // 若“key为null”,则将该键值对添加到table[0]中。
 4         if (key == null)
 5             return putForNullKey(value);
 6         // 若“key不为null”,则计算该key的哈希值,然后将其添加到该哈希值对应的链表中。
 7         int hash = hash(key.hashCode());
 8         int i = indexFor(hash, table.length);
 9         for (Entry<K, V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
10             Object k;
11             // 若“该key”对应的键值对已经存在,则用新的value取代旧的value。然后退出!
12             if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
13                 V oldValue = e.value;
14                 e.value = value;
15                 e.recordAccess(this);
16                 return oldValue;
17             }
18         }
19 
20         // 若“该key”对应的键值对不存在,则将“key-value”添加到table中
21         modCount++;
22         // 将key-value添加到table[i]处
23         addEntry(hash, key, value, i);
24         return null;
25     }
put方法源码

如果key为null,则将其添加到table[0]对应的链表中,如果key不为null,则同样先求出key的hash值,根据hash值得出在table中的索引,而后遍历对应的单链表,如果单链表中存在与目标key相等的键值对,则将新的value覆盖旧的value,且将旧的value返回,如果找不到与目标key相等的键值对,或者该单链表为空,则将该键值对插入到单链表的头结点位置(每次新插入的节点都是放在头结点的位置),该操作是有addEntry方法实现的,它的源码如下:

    // 新增Entry。将“key-value”插入指定位置,bucketIndex是位置索引。
    void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
        // 保存“bucketIndex”位置的值到“e”中
        Entry<K, V> e = table[bucketIndex];
        // 设置“bucketIndex”位置的元素为“新Entry”,
        // 设置“e”为“新Entry的下一个节点”
        table[bucketIndex] = new Entry<K, V>(hash, key, value, e);
        // 若HashMap的实际大小 不小于 “阈值”,则调整HashMap的大小
        if (size++ >= threshold)
            resize(2 * table.length);
    }
View Code

注意这里倒数第三行的构造方法,将key-value键值对赋给table[bucketIndex],并将其next指向元素e,这便将key-value放到了头结点中,并将之前的头结点接在了它的后面。该方法也说明,每次put键值对的时候,总是将新的该键值对放在table[bucketIndex]处(即头结点处)。两外注意最后两行代码,每次加入键值对时,都要判断当前已用的槽的数目是否大于等于阀值(容量*加载因子),如果大于等于,则进行扩容,将容量扩为原来容量的2倍。

 

重点来分析下求hash值和索引值的方法,这两个方法便是HashMap设计的最为核心的部分,二者结合能保证哈希表中的元素尽可能均匀地散列。

由hash值找到对应索引的方法如下

    static int indexFor(int h, int length) {
        return h & (length-1);
     }

因为容量初始还是设定都会转化为2的幂次。故可以使用高效的位与运算替代模运算。下面会解释原因。

 

计算hash值的方法如下

    
    static int hash(int h) {
            h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
            return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
        }

JDK 的 HashMap 使用了一个 hash 方法对hash值使用位的操作,使hash值的计算效率很高。为什么这样做?主要是因为如果直接使用hashcode值,那么这是一个int值(8个16进制数,共32位),int值的范围正负21亿多,但是hash表没有那么长,一般比如初始16,自然散列地址需要对hash表长度取模运算,得到的余数才是地址下标。假设某个key的hashcode是0AAA0000,hash数组长默认16,如果不经过hash函数处理,该键值对会被存放在hash数组中下标为0处,因为0AAA0000 & (16-1) = 0。过了一会儿又存储另外一个键值对,其key的hashcode是0BBB0000,得到数组下标依然是0,这就说明这是个实现得很差的hash算法,因为hashcode的1位全集中在前16位了,导致算出来的数组下标一直是0。于是明明key相差很大的键值对,却存放在了同一个链表里,导致以后查询起来比较慢(蜕化为了顺序查找)。故JDK的设计者使用hash函数的若干次的移位、异或操作,把hashcode的“1位”变得“松散”,非常巧妙。

 

下面是几个常见的面试题

说下hashmap的 扩容机制?

前面说了,hashmap的构造器里指明了两个对于理解HashMap比较重要的两个参数 int initialCapacity, float loadFactor,这两个参数会影响HashMap效率,HashMap底层采用的散列数组实现,利用initialCapacity这个参数我们可以设置这个数组的大小,也就是散列桶的数量,但是如果需要Map的数据过多,在不断的add之后,这些桶可能都会被占满,这是有两种策略,一种是不改变Capacity,因为即使桶占满了,我们还是可以利用每个桶附带的链表增加元素。但是这有个缺点,此时HaspMap就退化成为了LinkedList,使get和put方法的时间开销上升,这是就要采用另一种方法:增加Hash桶的数量,这样get和put的时间开销又回退到近于常数复杂度上。Hashmap就是采用的该方法。

关于扩容。看hashmap的扩容方法,resize方法,它的源码如下

 1     // 重新调整HashMap的大小,newCapacity是调整后的单位
 2     void resize(int newCapacity) {
 3         Entry[] oldTable = table;
 4         int oldCapacity = oldTable.length;
 5         if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
 6             threshold = Integer.MAX_VALUE;
 7             return;
 8         }
 9 
10         // 新建一个HashMap,将“旧HashMap”的全部元素添加到“新HashMap”中,
11         // 然后,将“新HashMap”赋值给“旧HashMap”。
12         Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
13         transfer(newTable);
14         table = newTable;
15         threshold = (int) (newCapacity * loadFactor);
16     }
扩容的resize方法

很明显,是从新建了一个HashMap的底层数组,长度为原来的两倍,而后调用transfer方法,将旧HashMap的全部元素添加到新的HashMap中(要重新计算元素在新的数组中的索引位置)。transfer方法的源码如下:

 1     // 将HashMap中的全部元素都添加到newTable中
 2     void transfer(Entry[] newTable) {
 3         Entry[] src = table;
 4         int newCapacity = newTable.length;
 5         for (int j = 0; j < src.length; j++) {
 6             Entry<K, V> e = src[j];
 7             if (e != null) {
 8                 src[j] = null;
 9                 do {
10                     Entry<K, V> next = e.next;
11                     int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
12                     e.next = newTable[i];
13                     newTable[i] = e;
14                     e = next;
15                 } while (e != null);
16             }
17         }
18     }
transfer方法源码

很明显,扩容是一个相当耗时的操作,因为它需要重新计算这些元素在新的数组中的位置并进行复制处理。因此,我们在用HashMap时,最好能提前预估下HashMap中元素的个数,这样有助于提高HashMap的性能。

 

hashmap什么时候需要增加容量呢?

因为效率问题,JDK采用预处理法,这时前面说的loadFactor就派上了用场,当size > initialCapacity * loadFactor,hashmap内部resize方法就被调用,使得重新扩充hash桶的数量,在目前的实现中,是增加一倍,这样就保证当你真正想put新的元素时效率不会明显下降。所以一般情况下HashMap并不存在键值放满的情况。当然并不排除极端情况,比如设置的JVM内存用完了,或者这个HashMap的Capacity已经达到了MAXIMUM_CAPACITY(目前的实现是2^30)。

 

initialCapacity和loadFactor参数设什么样的值好呢?

initialCapacity的默认值是16,有些人可能会想如果内存足够,是不是可以将initialCapacity设大一些,即使用不了这么大,就可避免扩容导致的效率的下降,反正无论initialCapacity大小,我们使用的get和put方法都是常数复杂度的。这么说没什么不对,但是可能会忽略一点,实际的程序可能不仅仅使用get和put方法,也有可能使用迭代器,如initialCapacity容量较大,那么会使迭代器效率降低。所以理想的情况还是在使用HashMap前估计一下数据量。

加载因子默认值是0.75,是JDK权衡时间和空间效率之后得到的一个相对优良的数值。如果这个值过大,虽然空间利用率是高了,但是对于HashMap中的一些方法的效率就下降了,包括get和put方法,会导致每个hash桶所附加的链表增长,影响存取效率。如果比较小,除了导致空间利用率较低外没有什么坏处,只要有的是内存,毕竟现在大多数人把时间看的比空间重要。但是实际中还是很少有人会将这个值设置的低于0.5。

 

HashMap的key和value都能为null么?如果k能为null,那么它是怎么样查找值的?

如果key为null,则直接从哈希表的第一个位置table[0]对应的链表上查找。记住,key为null的键值对永远都放在以table[0]为头结点的链表中。

 

HashMap中put值的时候如果发生了冲突,是怎么处理的?

JDK使用了链地址法,hash表的每个元素又分别链接着一个单链表,元素为头结点,如果不同的key映射到了相同的下标,那么就使用头插法,插入到该元素对应的链表。

 

HashMap的key是如何散列到hash表的?相比较HashTable有什么改进?

我们一般对哈希表的散列很自然地会想到用hash值对length取模(即除留余数法),HashTable就是这样实现的,这种方法基本能保证元素在哈希表中散列的比较均匀,但取模会用到除法运算,效率很低,且hashtable直接使用了hashcode值,没有重新计算。

HashMap中则通过 h&(length-1) 的方法来代替取模,其中h是key的hash值,同样实现了均匀的散列,但效率要高很多,这也是HashMap对Hashtable的一个改进。

接下来,我们分析下为什么哈希表的容量一定要是2的整数次幂。

首先,length为2的整数次幂的话,h&(length-1) 在数学上就相当于对length取模,这样便保证了散列的均匀,同时也提升了效率;

其次,length为2的整数次幂的话,则一定为偶数,那么 length-1 一定为奇数,奇数的二进制的最后一位是1,这样便保证了 h&(length-1) 的最后一位可能为0,也可能为1(这取决于h的值),即与后的结果可能为偶数,也可能为奇数,这样便可以保证散列的均匀,而如果length为奇数的话,很明显 length-1 为偶数,它的最后一位是0,这样 h&(length-1) 的最后一位肯定为0,即只能为偶数,这样导致了任何hash值都只会被散列到数组的偶数下标位置上,浪费了一半的空间,因此length取2的整数次幂,是为了使不同hash值发生碰撞的概率较小,这样就能使元素在哈希表中均匀地散列。

 

作为对比,在讨论一下Hashtable

HashTable同样是基于哈希表实现的,其实类似HashMap,只不过有些区别,HashTable同样每个元素是一个key-value对,其内部也是通过单链表解决冲突问题,容量不足(超过了阀值)时,同样会自动增长。

HashTable比较古老, 是JDK1.0就引入的类,而HashMap 是 1.2 引进的 Map 的一个实现。

HashTable 是线程安全的,能用于多线程环境中。Hashtable同样也实现了Serializable接口,支持序列化,也实现了Cloneable接口,能被克隆。

Hashtable继承于Dictionary类,实现了Map接口。Dictionary是声明了操作"键值对"函数接口的抽象类。 有一点注意,HashTable除了线程安全之外(其实是直接在方法上增加了synchronized关键字,比较古老,落后,低效的同步方式),还有就是它的key、value都不为null。另外Hashtable 也有 初始容量 和 加载因子

    public Hashtable() {
        this(11, 0.75f);
    }

默认加载因子也是 0.75,HashTable在不指定容量的情况下的默认容量为11,而HashMap为16,Hashtable不要求底层数组的容量一定要为2的整数次幂,而HashMap则要求一定为2的整数次幂。因为HashTable是直接使用除留余数法定位地址。且Hashtable计算hash值,直接用key的hashCode()。

还要注意:前面说了Hashtable中key和value都不允许为null,而HashMap中key和value都允许为null(key只能有一个为null,而value则可以有多个为null)。但如在Hashtable中有类似put(null,null)的操作,编译同样可以通过,因为key和value都是Object类型,但运行时会抛出NullPointerException异常,这是JDK的规范规定的。

最后针对扩容:Hashtable扩容时,将容量变为原来的2倍加1,而HashMap扩容时,将容量变为原来的2倍。

 

下面是几个常见的笔试,面试题

HashTable和HashMap的区别有哪些?

HashMap和Hashtable都实现了Map接口,但决定用哪一个之前先要弄清楚它们之间的分别。主要的区别有:线程安全性,同步(synchronization),以及速度。

理解HashMap是Hashtable的轻量级实现(非线程安全的实现,hashtable是非轻量级,线程安全的),都实现Map接口,主要区别在于:

1、由于HashMap非线程安全,在只有一个线程访问的情况下,效率要高于HashTable

2、HashMap允许将null作为一个entry的key或者value,而Hashtable不允许。

3、HashMap把Hashtable的contains方法去掉了,改成containsValue和containsKey。因为contains方法容易让人引起误解。

4、Hashtable继承自陈旧的Dictionary类,而HashMap是Java1.2引进的Map 的一个实现。

5、Hashtable和HashMap扩容的方法不一样,HashTable中hash数组默认大小11,扩容方式是 old*2+1。HashMap中hash数组的默认大小是16,而且一定是2的指数,增加为原来的2倍,没有加1。

6、两者通过hash值散列到hash表的算法不一样,HashTbale是古老的除留余数法,直接使用hashcode,而后者是强制容量为2的幂,重新根据hashcode计算hash值,在使用hash  位与  (hash表长度 – 1),也等价取膜,但更加高效,取得的位置更加分散,偶数,奇数保证了都会分散到。前者就不能保证。

7、另一个区别是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,但迭代器本身的remove()方法移除元素则不会抛出ConcurrentModificationException异常。但这并不是一个一定发生的行为,要看JVM。这条同样也是Enumeration和Iterator的区别。

  • fail-fast和iterator迭代器相关。如果某个集合对象创建了Iterator或者ListIterator,然后其它的线程试图“结构上”更改集合对象,将会抛出ConcurrentModificationException异常。但其它线程可以通过set()方法更改集合对象是允许的,因为这并没有从“结构上”更改集合。但是假如已经从结构上进行了更改,再调用set()方法,将会抛出IllegalArgumentException异常。 
  • 结构上的更改指的是删除或者插入一个元素,这样会影响到map的结构。
  • 该条说白了就是在使用迭代器的过程中有其他线程在结构上修改了map,那么将抛出ConcurrentModificationException,这就是所谓fail-fast策略。

 

为什么HashMap是线程不安全的,实际会如何体现?

第一,如果多个线程同时使用put方法添加元素

假设正好存在两个put的key发生了碰撞(hash值一样),那么根据HashMap的实现,这两个key会添加到数组的同一个位置,这样最终就会发生其中一个线程的put的数据被覆盖。

第二,如果多个线程同时检测到元素个数超过数组大小*loadFactor

这样会发生多个线程同时对hash数组进行扩容,都在重新计算元素位置以及复制数据,但是最终只有一个线程扩容后的数组会赋给table,也就是说其他线程的都会丢失,并且各自线程put的数据也丢失。且会引起死循环的错误。

具体细节上的原因,可以参考:不正当使用HashMap导致cpu 100%的问题追究

 

能否让HashMap实现线程安全,如何做?

1、直接使用Hashtable,但是当一个线程访问HashTable的同步方法时,其他线程如果也要访问同步方法,会被阻塞住。举个例子,当一个线程使用put方法时,另一个线程不但不可以使用put方法,连get方法都不可以,效率很低,现在基本不会选择它了。

2、HashMap可以通过下面的语句进行同步:

Collections.synchronizeMap(hashMap);

3、直接使用JDK 5 之后的 ConcurrentHashMap,如果使用Java 5或以上的话,请使用ConcurrentHashMap。

 

Collections.synchronizeMap(hashMap);又是如何保证了HashMap线程安全?

直接分析源码吧

 1 // synchronizedMap方法
 2 public static <K,V> Map<K,V> synchronizedMap(Map<K,V> m) {
 3        return new SynchronizedMap<>(m);
 4    }
 5 // SynchronizedMap类
 6 private static class SynchronizedMap<K,V>
 7        implements Map<K,V>, Serializable {
 8        private static final long serialVersionUID = 1978198479659022715L;
 9  
10        private final Map<K,V> m;     // Backing Map
11        final Object      mutex;        // Object on which to synchronize
12  
13        SynchronizedMap(Map<K,V> m) {
14            this.m = Objects.requireNonNull(m);
15            mutex = this;
16        }
17  
18        SynchronizedMap(Map<K,V> m, Object mutex) {
19            this.m = m;
20            this.mutex = mutex;
21        }
22  
23        public int size() {
24            synchronized (mutex) {return m.size();}
25        }
26        public boolean isEmpty() {
27            synchronized (mutex) {return m.isEmpty();}
28        }
29        public boolean containsKey(Object key) {
30            synchronized (mutex) {return m.containsKey(key);}
31        }
32        public boolean containsValue(Object value) {
33            synchronized (mutex) {return m.containsValue(value);}
34        }
35        public V get(Object key) {
36            synchronized (mutex) {return m.get(key);}
37        }
38  
39        public V put(K key, V value) {
40            synchronized (mutex) {return m.put(key, value);}
41        }
42        public V remove(Object key) {
43            synchronized (mutex) {return m.remove(key);}
44        }
45        // 省略其他方法
46    }
View Code

从源码中看出 synchronizedMap()方法返回一个SynchronizedMap类的对象,而在SynchronizedMap类中使用了synchronized来保证对Map的操作是线程安全的,故效率其实也不高。

 

为什么HashTable的默认大小和HashMap不一样?

前面分析了,Hashtable 的扩容方法是乘2再+1,不是简单的乘2,故hashtable保证了容量永远是奇数,结合之前分析hashmap的重算hash值的逻辑,就明白了,因为在数据分布在等差数据集合(如偶数)上时,如果公差与桶容量有公约数 n,则至少有(n-1)/n 数量的桶是利用不到的,故之前的hashmap 会在取模(使用位与运算代替)哈希前先做一次哈希运算,调整hash值。这里hashtable比较古老,直接使用了除留余数法,那么就需要设置容量起码不是偶数(除(近似)质数求余的分散效果好)。而JDK开发者选了11。

 

JDK 8对HashMap有了什么改进?说说你对红黑树的理解?

参考更新的jdk 8对hashmap的的改进部分整理,并且还能引申出高级数据结构——红黑树,这又能引出很多问题……学无止境啊!

 

临时小结:感觉针对Java的hashmap和hashtable面试,或者理解,到这里就可以了,具体就是多写代码实践。

 

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dashuai的博客是终身学习践行者,大厂程序员,且专注于工作经验、学习笔记的分享和日常吐槽,包括但不限于互联网行业,附带分享一些PDF电子书,资料,帮忙内推,欢迎拍砖!

 

posted @ 2016-12-12 23:00  dashuai的博客  阅读(4101)  评论(7编辑  收藏  举报
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