?HashMap應(yīng)該算是Java后端工程師面試的必問題，因?yàn)槠渲械闹R(shí)點(diǎn)太多，很適合用來考察面試者的Java基礎(chǔ)。

面試官: 你先自我介紹一下吧！

我: 我是安琪拉，草叢三婊之一，最強(qiáng)中單（鐘馗不服）！哦，不對(duì)，串場(chǎng)了，我是**，目前在--公司做--系統(tǒng)開發(fā)。

面試官: 看你簡(jiǎn)歷上寫熟悉Java集合，HashMap用過的吧？

我: 用過的。(還是熟悉的味道)

面試官: 那你跟我講講HashMap的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)？

我: 目前我用的是JDK1.8版本的，內(nèi)部使用數(shù)組 + 鏈表 / 紅黑樹；

我: 方便我給您畫個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖吧：

面試官: 那你清楚HashMap的數(shù)據(jù)插入原理嗎？

我: 呃[做沉思狀]。我覺得還是應(yīng)該畫個(gè)圖比較清楚，如下：

判斷數(shù)組是否為空，為空進(jìn)行初始化;

不為空，計(jì)算 k 的 hash 值，通過?(n - 1) & hash計(jì)算應(yīng)當(dāng)存放在數(shù)組中的下標(biāo)?index?;

查看 table[index] 是否存在數(shù)據(jù)，沒有數(shù)據(jù)就構(gòu)造一個(gè)Node節(jié)點(diǎn)存放在 table[index] 中；

存在數(shù)據(jù)，說明發(fā)生了hash沖突, 繼續(xù)判斷key是否相等，相等，用新的value替換原數(shù)據(jù)(onlyIfAbsent為false)；

如果不相等，判斷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)類型是不是樹型節(jié)點(diǎn)，如果是樹型節(jié)點(diǎn)，創(chuàng)建樹型節(jié)點(diǎn)插入紅黑樹中；

如果不是樹型節(jié)點(diǎn)，創(chuàng)建普通Node加入鏈表中；判斷鏈表長(zhǎng)度是否大于 8， 大于的話鏈表轉(zhuǎn)換為紅黑樹；

插入完成之后判斷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)數(shù)是否大于閾值，如果大于開始擴(kuò)容為原數(shù)組的二倍。

面試官: 剛才你提到HashMap的初始化，那HashMap怎么設(shè)定初始容量大小的嗎？

我: [這也算問題？?] 一般如果new HashMap()?不傳值，默認(rèn)大小是16，負(fù)載因子是0.75， 如果自己傳入初始大小k，初始化大小為 大于k的 2的整數(shù)次方，例如如果傳10，大小為16。（補(bǔ)充說明:實(shí)現(xiàn)代碼如下）

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; }

補(bǔ)充說明：下圖是詳細(xì)過程，算法就是讓初始二進(jìn)制分別右移1，2，4，8，16位，與自己異或，把高位第一個(gè)為1的數(shù)通過不斷右移，把高位為1的后面全變?yōu)?，111111 + 1 = 1000000 ?=??（符合大于50并且是2的整數(shù)次冪 ）

面試官: ?你提到hash函數(shù)，你知道HashMap的哈希函數(shù)怎么設(shè)計(jì)的嗎？

我: ?[問的還挺細(xì)] hash函數(shù)是先拿到通過key 的hashcode，是32位的int值，然后讓hashcode的高16位和低16位進(jìn)行異或操作。

面試官: ?那你知道為什么這么設(shè)計(jì)嗎？

我: ?[這也要問]，這個(gè)也叫擾動(dòng)函數(shù)，這么設(shè)計(jì)有二點(diǎn)原因：

一定要盡可能降低hash碰撞，越分散越好；

算法一定要盡可能高效，因?yàn)檫@是高頻操作, 因此采用位運(yùn)算；

面試官: ?為什么采用hashcode的高16位和低16位異或能降低hash碰撞？hash函數(shù)能不能直接用key的hashcode？

[這問題有點(diǎn)刁鉆], 安琪拉差點(diǎn)原地💥了，恨不得出biubiubiu 二一三連招。

我: ?因?yàn)?key.hashCode() 函數(shù)調(diào)用的是key鍵值類型自帶的哈希函數(shù)，返回int型散列值。int值范圍為**-2147483648~2147483647**，前后加起來大概40億的映射空間。只要哈希函數(shù)映射得比較均勻松散，一般應(yīng)用是很難出現(xiàn)碰撞的。但問題是一個(gè)40億長(zhǎng)度的數(shù)組，內(nèi)存是放不下的。你想，如果HashMap數(shù)組的初始大小才16，用之前需要對(duì)數(shù)組的長(zhǎng)度取模運(yùn)算，得到的余數(shù)才能用來訪問數(shù)組下標(biāo)。

源碼中模運(yùn)算就是把散列值和數(shù)組長(zhǎng)度-1做一個(gè)"與"操作，位運(yùn)算比%運(yùn)算要快。

bucketIndex = indexFor(hash, table.length);static int indexFor(int h, int length) {return h & (length-1); }

順便說一下，這也正好解釋了為什么HashMap的數(shù)組長(zhǎng)度要取2的整數(shù)冪。因?yàn)檫@樣（數(shù)組長(zhǎng)度-1）正好相當(dāng)于一個(gè)“低位掩碼”。“與”操作的結(jié)果就是散列值的高位全部歸零，只保留低位值，用來做數(shù)組下標(biāo)訪問。以初始長(zhǎng)度16為例，16-1=15。2進(jìn)制表示是00000000 00000000 00001111。和某散列值做“與”操作如下，結(jié)果就是截取了最低的四位值。

10100101 11000100 00100101 & 00000000 00000000 00001111 ----------------------------------00000000 00000000 00000101 //高位全部歸零，只保留末四位

但這時(shí)候問題就來了，這樣就算我的散列值分布再松散，要是只取最后幾位的話，碰撞也會(huì)很嚴(yán)重。更要命的是如果散列本身做得不好，分布上成等差數(shù)列的漏洞，如果正好讓最后幾個(gè)低位呈現(xiàn)規(guī)律性重復(fù)，就無(wú)比蛋疼。

這時(shí)候 hash 函數(shù)（“擾動(dòng)函數(shù)”）的價(jià)值就體現(xiàn)出來了，說到這里大家應(yīng)該猜出來了。看下面這個(gè)圖，

右位移16位，正好是32bit的一半，自己的高半?yún)^(qū)和低半?yún)^(qū)做異或，就是為了混合原始哈希碼的高位和低位，以此來加大低位的隨機(jī)性。而且混合后的低位摻雜了高位的部分特征，這樣高位的信息也被變相保留下來。

最后我們來看一下Peter Lawley的一篇專欄文章《An introduction to optimising a hashing strategy》里的的一個(gè)實(shí)驗(yàn)：他隨機(jī)選取了352個(gè)字符串，在他們散列值完全沒有沖突的前提下，對(duì)它們做低位掩碼，取數(shù)組下標(biāo)。

結(jié)果顯示，當(dāng)HashMap數(shù)組長(zhǎng)度為512的時(shí)候（），也就是用掩碼取低9位的時(shí)候，在沒有擾動(dòng)函數(shù)的情況下，發(fā)生了103次碰撞，接近30%。而在使用了擾動(dòng)函數(shù)之后只有92次碰撞。碰撞減少了將近10%。看來擾動(dòng)函數(shù)確實(shí)還是有功效的。

另外Java1.8相比1.7做了調(diào)整，1.7做了四次移位和四次異或，但明顯Java 8覺得擾動(dòng)做一次就夠了，做4次的話，多了可能邊際效用也不大，所謂為了效率考慮就改成一次了。

下面是1.7的hash代碼：

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

面試官: ?看來做過功課，有點(diǎn)料啊！是不是偷偷看了安琪拉的博客公眾號(hào), 你剛剛說到1.8對(duì)hash函數(shù)做了優(yōu)化，1.8還有別的優(yōu)化嗎？

我: 1.8還有三點(diǎn)主要的優(yōu)化：

數(shù)組+鏈表改成了數(shù)組+鏈表或紅黑樹；

鏈表的插入方式從頭插法改成了尾插法，簡(jiǎn)單說就是插入時(shí)，如果數(shù)組位置上已經(jīng)有元素，1.7將新元素放到數(shù)組中，原始節(jié)點(diǎn)作為新節(jié)點(diǎn)的后繼節(jié)點(diǎn)，1.8遍歷鏈表，將元素放置到鏈表的最后；

擴(kuò)容的時(shí)候1.7需要對(duì)原數(shù)組中的元素進(jìn)行重新hash定位在新數(shù)組的位置，1.8采用更簡(jiǎn)單的判斷邏輯，位置不變或索引+舊容量大小；

在插入時(shí)，1.7先判斷是否需要擴(kuò)容，再插入，1.8先進(jìn)行插入，插入完成再判斷是否需要擴(kuò)容；

面試官: ?你分別跟我講講為什么要做這幾點(diǎn)優(yōu)化；

我: ?【咳咳，果然是連環(huán)炮】

防止發(fā)生hash沖突，鏈表長(zhǎng)度過長(zhǎng)，將時(shí)間復(fù)雜度由O(n)降為O(logn);

因?yàn)?.7頭插法擴(kuò)容時(shí)，頭插法會(huì)使鏈表發(fā)生反轉(zhuǎn)，多線程環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生環(huán)；

A線程在插入節(jié)點(diǎn)B，B線程也在插入，遇到容量不夠開始擴(kuò)容，重新hash，放置元素，采用頭插法，后遍歷到的B節(jié)點(diǎn)放入了頭部，這樣形成了環(huán)，如下圖所示：

1.7的擴(kuò)容調(diào)用transfer代碼，如下所示：

void?transfer(Entry[]?newTable,?boolean?rehash)?{int?newCapacity?=?newTable.length;for?(Entry<K,V>?e?:?table)?{while(null?!=?e)?{Entry<K,V>?next?=?e.next;if?(rehash)?{e.hash?=?null?==?e.key???0?:?hash(e.key);}int?i?=?indexFor(e.hash,?newCapacity);e.next?=?newTable[i];?//A線程如果執(zhí)行到這一行掛起，B線程開始進(jìn)行擴(kuò)容newTable[i]?=?e;e?=?next;}} }

擴(kuò)容的時(shí)候?yàn)槭裁?.8 不用重新hash就可以直接定位原節(jié)點(diǎn)在新數(shù)據(jù)的位置呢?

這是由于擴(kuò)容是擴(kuò)大為原數(shù)組大小的2倍，用于計(jì)算數(shù)組位置的掩碼僅僅只是高位多了一個(gè)1，舉個(gè)例子：

擴(kuò)容前長(zhǎng)度為16，用于計(jì)算?(n-1) & hash?的二進(jìn)制n - 1為0000 1111，

擴(kuò)容后為32后的二進(jìn)制就高位多了1，============>為0001 1111。

因?yàn)槭?amp; 運(yùn)算，1和任何數(shù) & 都是它本身，那就分二種情況，如下圖：原數(shù)據(jù)hashcode高位第4位為0和高位為1的情況；

第四位高位為0，重新hash數(shù)值不變，第四位為1，重新hash數(shù)值比原來大16（舊數(shù)組的容量）

面試官: ?那HashMap是線程安全的嗎？

我: ?不是，在多線程環(huán)境下，1.7 會(huì)產(chǎn)生死循環(huán)、數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)覆蓋的問題，1.8 中會(huì)有數(shù)據(jù)覆蓋的問題。

以1.8為例，當(dāng)A線程執(zhí)行到下面代碼第6行判斷index位置為空后正好掛起，B線程開始執(zhí)行第7 行，往index位置的寫入節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，這時(shí)A線程恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，執(zhí)行賦值操作，就把A線程的數(shù)據(jù)給覆蓋了；

還有第38行++size這個(gè)地方也會(huì)造成多線程同時(shí)擴(kuò)容等問題。

final?V?putVal(int?hash,?K?key,?V?value,?boolean?onlyIfAbsent,boolean?evict)?{Node<K,V>[]?tab;?Node<K,V>?p;?int?n,?i;if?((tab?=?table)?==?null?||?(n?=?tab.length)?==?0)n?=?(tab?=?resize()).length;if?((p?=?tab[i?=?(n?-?1)?&?hash])?==?null)??//多線程執(zhí)行到這里tab[i]?=?newNode(hash,?key,?value,?null);else?{Node<K,V>?e;?K?k;if?(p.hash?==?hash?&&((k?=?p.key)?==?key?||?(key?!=?null?&&?key.equals(k))))e?=?p;else?if?(p?instanceof?TreeNode)e?=?((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this,?tab,?hash,?key,?value);else?{for?(int?binCount?=?0;?;?++binCount)?{if?((e?=?p.next)?==?null)?{p.next?=?newNode(hash,?key,?value,?null);if?(binCount?>=?TREEIFY_THRESHOLD?-?1)?//?-1?for?1sttreeifyBin(tab,?hash);break;}if?(e.hash?==?hash?&&((k?=?e.key)?==?key?||?(key?!=?null?&&?key.equals(k))))break;p?=?e;}}if?(e?!=?null)?{?//?existing?mapping?for?keyV?oldValue?=?e.value;if?(!onlyIfAbsent?||?oldValue?==?null)e.value?=?value;afterNodeAccess(e);return?oldValue;}}++modCount;if?(++size?>?threshold)?//?多個(gè)線程走到這，可能重復(fù)resize()resize();afterNodeInsertion(evict);return?null; }

面試官: ?那你平常怎么解決這個(gè)線程不安全的問題？

我: ?Java中有HashTable、Collections.synchronizedMap、以及ConcurrentHashMap可以實(shí)現(xiàn)線程安全的Map。

• HashTable是直接在操作方法上加synchronized關(guān)鍵字，鎖住整個(gè)數(shù)組，粒度比較大；

• Collections.synchronizedMap是使用Collections集合工具的內(nèi)部類，通過傳入Map封裝出一個(gè)SynchronizedMap對(duì)象，內(nèi)部定義了一個(gè)對(duì)象鎖，方法內(nèi)通過對(duì)象鎖實(shí)現(xiàn)；

• ConcurrentHashMap使用分段鎖，降低了鎖粒度，讓并發(fā)度大大提高。

面試官: ?那你知道ConcurrentHashMap的分段鎖的實(shí)現(xiàn)原理嗎？

我: ?【天啦擼! 俄羅斯套娃，一個(gè)套一個(gè)】ConcurrentHashMap成員變量使用volatile 修飾，免除了指令重排序，同時(shí)保證內(nèi)存可見性，另外使用CAS操作和synchronized結(jié)合實(shí)現(xiàn)賦值操作，多線程操作只會(huì)鎖住當(dāng)前操作索引的節(jié)點(diǎn)。

如下圖，線程A鎖住A節(jié)點(diǎn)所在鏈表，線程B鎖住B節(jié)點(diǎn)所在鏈表，操作互不干涉。

面試官: ?你前面提到鏈表轉(zhuǎn)紅黑樹是鏈表長(zhǎng)度達(dá)到閾值，這個(gè)閾值是多少？

我: ?閾值是8，紅黑樹轉(zhuǎn)鏈表閾值為6

面試官: ?為什么是8，不是16，32甚至是7 ？又為什么紅黑樹轉(zhuǎn)鏈表的閾值是6，不是8了呢？

我: 【你去問作者啊！天啦擼，biubiubiu 真想213連招】

因?yàn)樽髡呔瓦@么設(shè)計(jì)的，哦，不對(duì)，因?yàn)榻?jīng)過計(jì)算，在hash函數(shù)設(shè)計(jì)合理的情況下，發(fā)生hash碰撞8次的幾率為百萬(wàn)分之6，概率說話。。因?yàn)?夠用了，至于為什么轉(zhuǎn)回來是6，因?yàn)槿绻鹔ash碰撞次數(shù)在8附近徘徊，會(huì)一直發(fā)生鏈表和紅黑樹的轉(zhuǎn)化，為了預(yù)防這種情況的發(fā)生。

面試官: ?HashMap內(nèi)部節(jié)點(diǎn)是有序的嗎？

我: ?是無(wú)序的，根據(jù)hash值隨機(jī)插入

面試官: ?那有沒有有序的Map？

我: ?LinkedHashMap 和 TreeMap

面試官: ?跟我講講LinkedHashMap怎么實(shí)現(xiàn)有序的？

我: ?LinkedHashMap內(nèi)部維護(hù)了一個(gè)單鏈表，有頭尾節(jié)點(diǎn)，同時(shí)LinkedHashMap節(jié)點(diǎn)Entry內(nèi)部除了繼承HashMap的Node屬性，還有before 和 after用于標(biāo)識(shí)前置節(jié)點(diǎn)和后置節(jié)點(diǎn)。可以實(shí)現(xiàn)按插入的順序或訪問順序排序。

/***?The?head?(eldest)?of?the?doubly?linked?list. */ transient?LinkedHashMap.Entry<K,V>?head;/***?The?tail?(youngest)?of?the?doubly?linked?list. */ transient?LinkedHashMap.Entry<K,V>?tail; //鏈接新加入的p節(jié)點(diǎn)到鏈表后端 private?void?linkNodeLast(LinkedHashMap.Entry<K,V>?p)?{LinkedHashMap.Entry<K,V>?last?=?tail;tail?=?p;if?(last?==?null)head?=?p;else?{p.before?=?last;last.after?=?p;} } //LinkedHashMap的節(jié)點(diǎn)類 static?class?Entry<K,V>?extends?HashMap.Node<K,V>?{Entry<K,V>?before,?after;Entry(int?hash,?K?key,?V?value,?Node<K,V>?next)?{super(hash,?key,?value,?next);} }

示例代碼：

public?static?void?main(String[]?args)?{Map<String,?String>?map?=?new?LinkedHashMap<String,?String>();map.put("1",?"安琪拉");map.put("2",?"的");map.put("3",?"博客");for(Map.Entry<String,String>?item:?map.entrySet()){System.out.println(item.getKey()?+?":"?+?item.getValue());} } //console輸出 1:安琪拉 2:的 3:博客

面試官: ?跟我講講TreeMap怎么實(shí)現(xiàn)有序的？

我：TreeMap是按照Key的自然順序或者Comprator的順序進(jìn)行排序，內(nèi)部是通過紅黑樹來實(shí)現(xiàn)。所以要么key所屬的類實(shí)現(xiàn)Comparable接口，或者自定義一個(gè)實(shí)現(xiàn)了Comparator接口的比較器，傳給TreeMap用戶key的比較。

面試官: ?前面提到通過CAS 和 synchronized結(jié)合實(shí)現(xiàn)鎖粒度的降低，你能給我講講CAS 的實(shí)現(xiàn)以及synchronized的實(shí)現(xiàn)原理嗎？

我: ?下一期咋們?cè)偌s時(shí)間，OK？

面試官: ?好吧，回去等通知吧！

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的崩溃了，一个HashMap跟面试官扯了半个小时的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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