你真的懂大厂面试题：HashMap吗？

╰半橙微兮° 2023-07-24 03:26 22阅读 0赞

## 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  
    ![format_png][]

##### 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 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) hash&(n−1)范围一定是 \[ 0 , n − 1 \] \[0,n-1\] \[0,n−1\].
    
    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 n是oldcap ,即原数组大小**
    
    如果 n   &   h a s h = = 0 n\\ \\&\\ hash == 0 n & hash==0则 ( 2 n − 1 ) & h a s h = = ( n − 1 ) & h a s h (2n-1)\\&hash ==(n-1) \\& hash (2n−1)&hash==(n−1)&hash
    
    如果 n   &   h a s h   ! =   0 n\\ \\&\\ hash\\ !=\\ 0 n & hash != 0则 ( 2 n − 1 ) & h a s h = = ( n − 1 ) & h a s h + n (2n-1)\\&hash == (n-1)\\&hash + 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 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**处
    
        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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