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你真的懂大厂面试题:HashMap吗?

你真的懂大厂面试题:HashMap吗?

jdk1.8版本HashMap

  • HashMap基本数据结构

    hashMap是数组+链表或者数组+红黑树的结构,如下图

以HashMap的put方法和get方法为出发点,从源码角度,阐述面试的知识点
  • HashMap中<key,value>元素被封装成Node对象

    static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final int hash;
        final K key;
        V value;
        Node<K,V> next;
    
        Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
            this.hash = hash;
            this.key = key;
            this.value = value;
            this.next = next;
        }
    
        public final K getKey()        { return key; }
        public final V getValue()      { return value; }
        public final String toString() { return key + "=" + value; }
    
        public final int hashCode() {
            return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
        }
    
        public final V setValue(V newValue) {
            V oldValue = value;
            value = newValue;
            return oldValue;
        }
    }
    
  • put方法

    HashMap的put方法会调用putVal方法

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

    hash函数

    hash过程(即hash函数)是HashMap的一个核心知识点。hash映射的计算过程是hashValue&(n-1).

    计算公式中的hashValue就是hash函数返回的结果。即key.hashCode与其高16位相异或的结果。

    为什么是key.hashCode与其高16位相异或的结果?

    n是2的幂次方,所以n-1,一定是前部全为0,尾部全为1。类似00001111,假设hashValue==01010111

    其与00001111相与,由于0与[0或1]相与一定为0,所以相与过程中,只利用到了hashVaule的0111

    后四位,所以为了增加多样性,使散列均匀,让hashValue与其前四位相异或,融入后四位的差异。

    static final int hash(Object key) {
        int h;
        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
    }
    

    putVal函数

    首先判断map是否为空,为空调用resize函数进行初始化,初始数组大小为16(数组大小一定是2的幂次方),初始加载因子0.75,之后进行hash映射计算(n-1)&hash,得到hash位置(数组中的位置),如果没有hash冲突,就直接插入。之后分两种情况讨论,红黑树结构,按照红黑树的方式进行插入或覆盖。链表结构,使用尾插法进行插入或替换,并且如果插入后,超过规定的阈值,链表结构会转换成红黑树结构

    最后如果插入元素后,数组中包含的元素超过加载阈值,会调用resize函数进行扩容操作

    final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                    boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        //判断map是否为空,为空调用resize函数初始化
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        //如果没有hash冲突,就直接插入
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            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;
            //红黑树结构,使用红黑树操作
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            //链表结构,使用尾插法进行插入
            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 1st
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }
            //存在相同的key,则考虑值覆盖
            if (e != null) { // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount;
        //如果元素大于阈值,则进行扩容操作
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }
    

    resize函数

    hashMap的扩容操作,其实也是一个核心知识点。

    如果2倍的原数组大小小于一个最大数量阈值,则可以进行扩容操作,原数组大小扩容成两倍,加载阈值也扩大为两倍。为什么一定要扩容为其两倍?因为数组大小一定必须为2的幂次方,数组大小n是2的幂次方的话, n ? 1 n-1 一定是前部均为0尾部均为1的形式, h a s h & ( n ? 1 ) hash\&(n-1) 范围一定是 [ 0 , n ? 1 ] [0,n-1] .

    由于数组扩容了,原数组必须会有一个rehash过程。

    分为两种情况,一红黑树结构,是通过分裂实现rehash过程

    二是链表结构

    这里的 n n 是oldcap ,即原数组大小

    如果 n   &   h a s h = = 0 n\ \&\ hash == 0 ( 2 n ? 1 ) & h a s h = = ( n ? 1 ) & h a s h (2n-1)\&hash ==(n-1) \& hash

    如果 n   &   h a s h   ! =   0 n\ \&\ hash\ !=\ 0 ( 2 n ? 1 ) & h a s h = = ( n ? 1 ) & h a s h + n (2n-1)\&hash == (n-1)\&hash + n

    上面结论,自己可以在草稿纸上推一推

    根据上面结论,可以依据 h a s h V a l u e   &   n hashValue\ \&\ n 的结果,将链表中的元素分为两个链表,一个依旧放在原位置

    一个放在原位置+n

    final Node<K,V>[] resize() {
        Node<K,V>[] oldTab = table;
        int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
        int oldThr = threshold;
        int newCap, newThr = 0;
        //原数组大小不为0
        if (oldCap > 0) {
            //超过最大容量不允许扩容,直接返回原数组
            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
                threshold = Integer.MAX_VALUE;
                return oldTab;
            }
            
            else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                     oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
                newThr = oldThr << 1; // double threshold
        }
        else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
            newCap = oldThr;
        else {               // zero initial threshold signifies using defaults
            newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
            newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
        }
        if (newThr == 0) {
            float ft = (float)newCap * loadFactor;
            newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                      (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
        }
        threshold = newThr;
        @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
        Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
        table = newTab;
        //rehash过程
        if (oldTab != null) {
            for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
                Node<K,V> e;
                if ((e = oldTab[j]) != null) {
                    oldTab[j] = null;
                    if (e.next == null)
                        newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                    //红黑树结构通过分裂
                    else if (e instanceof TreeNode)
                        ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                    else { // preserve order
                        Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                        Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                        Node<K,V> next;
                        do {
                            next = e.next;
                            //第一种情况
                            if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                                if (loTail == null)
                                    loHead = e;
                                else
                                    loTail.next = e;
                                loTail = e;
                            }
                            //第二种情况
                            else {
                                if (hiTail == null)
                                    hiHead = e;
                                else
                                    hiTail.next = e;
                                hiTail = e;
                            }
                        } while ((e = next) != null);
                        if (loTail != null) {
                            loTail.next = null;
                            newTab[j] = loHead;
                        }
                        if (hiTail != null) {
                            hiTail.next = null;
                            newTab[j + oldCap] = hiHead;
                        }
                    }
                }
            }
        }
        return newTab;
    }
    
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