HashMap 面试常见的6连问，你能扛得住吗？

￡神魔★判官ぃ 2023-09-25 20:46 55阅读 0赞

JDK1.8 中 HashMap 的底层实现，我相信大家都能说上来个 一二，底层数据结构 数组 + 链表（或红黑树） ，源码如下

/**
     * 数组
     */
    transient Node<K,V>[] table;
    
    /**
     * 链表结构
     */
    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;
        }
    
        public final boolean equals(Object o) {
            if (o == this)
                return true;
            if (o instanceof Map.Entry) {
                Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>)o;
                if (Objects.equals(key, e.getKey()) &&
                    Objects.equals(value, e.getValue()))
                    return true;
            }
            return false;
        }
    }
    
    /**
     * 红黑树结构
     */
    static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {
        TreeNode<K,V> parent;  // red-black tree links
        TreeNode<K,V> left;
        TreeNode<K,V> right;
        TreeNode<K,V> prev;    // needed to unlink next upon deletion
        boolean red;
        ...

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但面试往往会问的比较细，例如下面的容量问题，我们能答上来几个？

1、table 的初始化时机是什么时候，初始化的 table.length 是多少、阀值（threshold）是多少，实际能容下多少元素

2、什么时候触发扩容，扩容之后的 table.length、阀值各是多少？

3、table 的 length 为什么是 2 的 n 次幂

4、求索引的时候为什么是：h&(length-1)，而不是 h&length，更不是 h%length

5、 Map map = new HashMap(1000); 当我们存入多少个元素时会触发map的扩容；Map map1 = new HashMap(10000); 我们存入第 10001个元素时会触发 map1 扩容吗

6、为什么加载因子的默认值是 0.75，并且不推荐我们修改

由于我们平时关注的少，一旦碰上这样的 连击 + 暴击，我们往往不知所措、无从应对；接下来我们看看上面的 6 个问题，是不是真的难到无法理解 ，还是我们不够细心、在自信的自我认为。

##  ##

## **斗智斗勇，见招拆招** ##

上述的问题，我们如何去找答案 ? 方式有很多种，用的最多的，我想应该是上网查资料、看别人的博客，但我认为最有效、准确的方式是读源码

### **问题 1：table 的初始化** ###

HashMap 的构造方法有如下 4 种

/**
     * 构造方法 1
     *
     * 通过 指定的 initialCapacity 和 loadFactor 实例化一个空的 HashMap 对象
     */
    public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
                                               initialCapacity);
        if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
            initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
        if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
            throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
                                               loadFactor);
        this.loadFactor = loadFactor;
        this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
    }
    
    /**
     * 构造方法 2
     *
     * 通过指定的 initialCapacity 和 默认的 loadFactor(0.75) 实例化一个空的 HashMap 对象
     */
    public HashMap(int initialCapacity) {
        this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    }
    
    /**
     * 构造方法 3
     *
     * 通过默认的 initialCapacity 和 默认的 loadFactor(0.75) 实例化一个空的 HashMap 对象
     */
    public HashMap() {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
    }
    
    /**
     *
     * 构造方法 4
     * 通过指定的 Map 对象实例化一个 HashMap 对象
     */
    public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
        putMapEntries(m, false);
    }

构造方式 4 和 构造方式 1 实际应用的不多，构造方式 2 直接调用的 1（底层实现完全一致），构造方式 2 和 构造方式 3 比较常用，而最常用的是构造方式 3；此时我们以构造方式 3 为前提来分析，而构造方式 2 我们则在问题 5 中来分析

使用方式 1 实例化 HashMap 的时候，table 并未进行初始化，那 table 是何时进行初始化的了 ？平时我们是如何使用 HashMap 的，先实例化、然后 put、然后进行其他操作，如下

Map<String,Object> map = new HashMap();
    map.put("name", "张三");
    map.put("age", 21);
    
    // 后续操作
    ...

既然实例化的时候未进行 table 的初始化，那是不是在 put 的时候初始化的了，我们来确认下

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resize() 初始化 table 或 对 table 进行双倍扩容，源码如下（注意看注释）

/**
     * Initializes or doubles table size.  If null, allocates in
     * accord with initial capacity target held in field threshold.
     * Otherwise, because we are using power-of-two expansion, the
     * elements from each bin must either stay at same index, or move
     * with a power of two offset in the new table.
     *
     * @return the table
     */
    final Node<K,V>[] resize() {
        Node<K,V>[] oldTab = table;                    // 第一次 put 的时候，table = null
        int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length; // oldCap = 0
        int oldThr = threshold;                        // threshold=0, oldThr = 0
        int newCap, newThr = 0;
        if (oldCap > 0) {    // 条件不满足，往下走
            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 走到这里，进行默认初始化
            newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;    // DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4 = 16, newCap = 16;
            newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);    // newThr = 0.75 * 16 = 12;
        }
        if (newThr == 0) {    // 条件不满足
            float ft = (float)newCap * loadFactor;
            newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                      (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
        }
        threshold = newThr;        // threshold = 12; 重置阀值为12
        @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
            Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];     // 初始化 newTab, length = 16;
        table = newTab;            // table 初始化完成, length = 16;
        if (oldTab != null) {    // 此时条件不满足，后续扩容的时候，走此if分支 将数组元素复制到新数组
            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;
                    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;
                            if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                                if (loTail == null)
                                    loHead = e;
                                else
                                    loTail.next = e;
                                loTail = e;
                            }
                            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;    // 新数组
    }

自此，问题 1 的答案就明了了

table 的初始化时机是什么时候

*  一般情况下，在第一次 put 的时候，调用 resize 方法进行 table 的初始化（懒初始化，懒加载思想在很多框架中都有应用！）

初始化的 table.length 是多少、阀值（threshold）是多少，实际能容下多少元素

*  默认情况下，table.length = 16; 指定了 initialCapacity 的情况放到问题 5 中分析
 *  默认情况下，threshold = 12; 指定了 initialCapacity 的情况放到问题 5 中分析
 *  默认情况下，能存放 12 个元素，当存放第 13 个元素后进行扩容

###  ###

### **问题 2 ：table 的扩容** ###

putVal 源码如下

/**
     * Implements Map.put and related methods
     *
     * @param hash hash for key
     * @param key the key
     * @param value the value to put
     * @param onlyIfAbsent if true, don't change existing value
     * @param evict if false, the table is in creation mode.
     * @return previous value, or null if none
     */
    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)
            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 1st
                            treeifyBin(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 key
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount;
        if (++size > threshold)             // 当size（已存放元素个数） > thrshold（阀值），进行扩容
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

还是调用 resize() 进行扩容，但与初始化时不同（注意看注释）

/**
     * Initializes or doubles table size.  If null, allocates in
     * accord with initial capacity target held in field threshold.
     * Otherwise, because we are using power-of-two expansion, the
     * elements from each bin must either stay at same index, or move
     * with a power of two offset in the new table.
     *
     * @return the table
     */
    final Node<K,V>[] resize() {
        Node<K,V>[] oldTab = table;                    // 此时的 table != null，oldTab 指向旧的 table
        int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length; // oldCap = table.length; 第一次扩容时是 16
        int oldThr = threshold;                        // threshold=12, oldThr = 12;
        int newCap, newThr = 0;
        if (oldCap > 0) {    // 条件满足，走此分支
            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
                threshold = Integer.MAX_VALUE;
                return oldTab;
            }
            else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&    // oldCap左移一位; newCap = 16 << 1 = 32;
                     oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
                newThr = oldThr << 1; // double threshold            // newThr = 12 << 1 = 24;
        }
        else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
            newCap = oldThr;
        else {               // zero initial threshold signifies using defaults
            newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;    // DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4 = 16, newCap = 16;
            newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
        }
        if (newThr == 0) {    // 条件不满足
            float ft = (float)newCap * loadFactor;
            newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                      (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
        }
        threshold = newThr;        // threshold = newThr = 24; 重置阀值为 24
        @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
            Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];     // 初始化 newTab, length = 32;
        table = newTab;            // table 指向 newTab, length = 32;
        if (oldTab != null) {    // 扩容后，将 oldTab(旧table) 中的元素移到 newTab（新table）中
            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;        // 
                    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;
                            if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                                if (loTail == null)
                                    loHead = e;
                                else
                                    loTail.next = e;
                                loTail = e;
                            }
                            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;
    }

自此，问题 2 的答案也就清晰了

什么时候触发扩容，扩容之后的 table.length、阀值各是多少

*  当 size > threshold 的时候进行扩容
 *  扩容之后的 table.length = 旧 table.length \* 2,
 *  扩容之后的 threshold = 旧 threshold \* 2

###  ###

### **问题 3、4 ：2 的 n 次幂** ###

table 是一个数组，那么如何最快的将元素 e 放入数组 ？当然是找到元素 e 在 table 中对应的位置 index ，然后 table\[index\] = e; 就好了；如何找到 e 在 table 中的位置了 ？

我们知道只能通过数组下标（索引）操作数组，而数组的下标类型又是 int ，如果 e 是 int 类型，那好说，就直接用 e 来做数组下标（若 e > table.length，则可以 e % table.length 来获取下标），可 key - value 中的 key 类型不一定，所以我们需要一种统一的方式将 key 转换成 int ，最好是一个 key 对应一个唯一的 int (目前还不可能, int有范围限制，对转换方法要求也极高)，所以引入了 hash 方法

static final int hash(Object key) {
        int h;
        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);　　// 这里的处理，有兴趣的可以琢磨下；能够减少碰撞
    }

实现 key 到 int 的转换（关于 hash，本文不展开讨论）。拿到了 key 对应的 int h 之后，我们最容易想到的对 value 的 put 和 get 操作也许如下

// put
    table[h % table.length] = value;
    
    // get
    e = table[h % table.length];

直接取模是我们最容易想到的获取下标的方法，但是最高效的方法吗 ？

我们知道计算机中的四则运算最终都会转换成二进制的位运算

![9e00c86a4aabffb6d146bceb3078ec72.png][]

我们可以发现，只有 & 数是1时，& 运算的结果与被 & 数一致

1&1=1;
    0&1=0;
    1&0=0;
    0&0=0;

这同样适用于多位操作数

1010&1111=1010;      => 10&15=10;
    1011&1111=1011;      => 11&15=11;
    01010&10000=00000;   => 10&16=0;
    01011&10000=00000;   => 11&16=0;

我们是不是又有所发现：10 & 16 与 11 & 16 得到的结果一样，也就是冲突（碰撞）了，那么 10 和 11 对应的 value 会在同一个链表中，而 table 的有些位置则永远不会有元素，这就导致 table 的空间未得到充分利用，同时还降低了 put 和 get 的效率（对比数组和链表）；由于是 2 个数进行 & 运算，所以结果由这两个数决定，如果我们把这两个数都做下限制，那得到的结果是不是可控制在我们想要的范围内了 ？

我们需要利用好 & 运算的特点，当右边的数的低位二进制是连续的 1 ，且左边是一个均匀的数（需要 hash 方法实现，尽量保证 key 的 h 唯一），那么得到的结果就比较完美了。低位二进制连续的 1，我们很容易想到 2^n - 1; 而关于左边均匀的数，则通过 hash 方法来实现，这里不做细究了。

自此，2 的 n 次幂的相关问题就清楚了

table 的 length 为什么是 2 的 n 次幂

*  为了利用位运算 & 求 key 的下标

求索引的时候为什么是：h&(length-1)，而不是 h&length，更不是 h%length

*  h%length 效率不如位运算快
 *  h&length 会提高碰撞几率，导致 table 的空间得不到更充分的利用、降低 table 的操作效率

给各位留个疑问：为什么不直接用 2^n-1 作为 table.length ？欢迎评论区留言

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### **问题 5：指定 initialCapacity** ###

当我们指定了 initialCapacity，HashMap的构造方法有些许不同，如下所示

![84ca7f7f305080c94c84cda4563bf40b.gif][]

调用 tableSizeFor 进行 threshold 的初始化

/**
     * Returns a power of two size for the given target capacity.
     * 返回 >= cap 最小的 2^n
     * cap = 10, 则返回 2^4 = 16;
     * cap = 5, 则返回 2^3 = 8;
     */
    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;
    }

虽然此处初始化的是 threshold，但后面初始化 table 的时候，会将其用于 table 的 length，同时会重置 threshold 为 table.length \* loadFactor

自此，问题 5 也就清楚了

Map map = new HashMap(1000); 当我们存入多少个元素时会触发map的扩容

*  此时的 table.length = 2^10 = 1024; threshold = 1024 \* 0.75 = 768; 所以存入第 769 个元素时进行扩容

Map map1 = new HashMap(10000); 我们存入第 10001个元素时会触发 map1 扩容吗

*  此时的 table.length = 2^14 = 16384; threshold = 16384 \* 0.75 = 12288; 所以存入第 10001 个元素时不会进行扩容

###  ###

### **问题6：加载因子** ###

为什么加载因子的默认值是 0.75，并且不推荐我们修改

*  如果loadFactor太小，那么map中的table需要不断的扩容，扩容是个耗时的过程
 *  如果loadFactor太大，那么map中table放满了也不不会扩容，导致冲突越来越多，解决冲突而起的链表越来越长，效率越来越低
 *  而 0.75 这是一个折中的值，是一个比较理想的值

##  ##

## **总 结** ##

1、table.length = 2^n，是为了能利用位运算（&）来求 key 的下标，而 h&(length-1) 是为了充分利用 table 的空间，并减少 key 的碰撞

2、加载因子太小， table 需要不断的扩容，影响 put 效率；太大会导致碰撞越来越多，链表越来越长（转红黑树），影响效率；0.75 是一个比较理想的中间值

3、table.length = 2^n、hash 方法获取 key 的 h、加载因子 0.75、数组 + 链表（或红黑树），一环扣一环，保证了 key 在 table 中的均匀分配，充分利用了空间，也保证了操作效率，环环相扣的，而不是心血来潮的随意处理；缺了一环，其他的环就无意义了！

4、网上有个 put 方法的流程图画的挺好，我就偷懒了

![f747e855bca1d6f796528e0c0dee9068.png][]

[e52fda8e9243962e66e0a3fb38427563.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/e52fda8e9243962e66e0a3fb38427563.png
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