JAVA基础面试题（第九篇）中！集合与数据结构

JAVA集合和数据结构也是面试常考的点，内容也是比较多。

在看之前希望各位如果方便可以点赞收藏，给我点个关注，创作不易！

JAVA集合

11. HashMap 中 key 的存储索引是怎么计算的？

首先根据key的值计算出hashcode的值，然后根据hashcode计算出hash值，最后通过hash&（length-1）计算得到存储的位置。看看源码的实现：

// jdk1.7
方法一：
static int hash(int h) {
    int h = hashSeed;
        if (0 != h && k instanceof String) {
            return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);
        }

    h ^= k.hashCode(); // 为第一步：取hashCode值
    h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12); 
    return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}
方法二：
static int indexFor(int h, int length) {  //jdk1.7的源码，jdk1.8没有这个方法，但实现原理一样
     return h & (length-1);  //第三步：取模运算
}


// jdk1.8
static final int hash(Object key) {   
     int h;
     return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
    /* 
     h = key.hashCode() 为第一步：取hashCode值
     h ^ (h >>> 16)  为第二步：高位参与运算
    */
}

这里的 Hash 算法本质上就是三步：**取key的 hashCode 值、根据 hashcode 计算出hash值、通过取模计算下标。**其中，JDK1.7和1.8的不同之处，就在于第二步。我们来看下详细过程，以JDK1.8为例，n为table的长度。

在这里插入图片描述

12. HashMap 的put方法流程？

简要流程如下：

首先根据 key 的值计算 hash 值，找到该元素在数组中存储的下标；
如果数组是空的，则调用 resize 进行初始化；
如果没有哈希冲突直接放在对应的数组下标里；
如果冲突了，且 key 已经存在，就覆盖掉 value；
如果冲突后，发现该节点是红黑树，就将这个节点挂在树上；
如果冲突后是链表，判断该链表是否大于 8 ，如果大于 8 并且数组容量小于 64，就进行扩容；如果链表节点大于 8 并且数组的容量大于 64，则将这个结构转换为红黑树；否则，链表插入键值对，若 key 存在，就覆盖掉 value。

在这里插入图片描述

13. HashMap 的扩容方式？

HashMap 在容量超过负载因子所定义的容量之后，就会扩容。Java 里的数组是无法自动扩容的，方法是将 HashMap 的大小扩大为原来数组的两倍，并将原来的对象放入新的数组中。

那扩容的具体步骤是什么？让我们看看源码。

先来看下JDK1.7 的代码：

void resize(int newCapacity) {   //传入新的容量
        Entry[] oldTable = table;    //引用扩容前的Entry数组
        int oldCapacity = oldTable.length;
        if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {  //扩容前的数组大小如果已经达到最大(2^30)了
            threshold = Integer.MAX_VALUE; //修改阈值为int的最大值(2^31-1)，这样以后就不会扩容了
            return;
        }

        Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];  //初始化一个新的Entry数组
        transfer(newTable);                         //！！将数据转移到新的Entry数组里
        table = newTable;                           //HashMap的table属性引用新的Entry数组
        threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);//修改阈值
    }
这里就是使用一个容量更大的数组来代替已有的容量小的数组，transfer()方法将原有Entry数组的元素拷贝到新的Entry数组里。

void transfer(Entry[] newTable) {
        Entry[] src = table;                   //src引用了旧的Entry数组
        int newCapacity = newTable.length;
        for (int j = 0; j < src.length; j++) { //遍历旧的Entry数组
            Entry<K,V> e = src[j];             //取得旧Entry数组的每个元素
            if (e != null) {
                src[j] = null;//释放旧Entry数组的对象引用（for循环后，旧的Entry数组不再引用任何对象）
                do {
                    Entry<K,V> next = e.next;
                    int i = indexFor(e.hash, newCapacity); //！！重新计算每个元素在数组中的位置
                    e.next = newTable[i]; //标记[1]
                    newTable[i] = e;      //将元素放在数组上
                    e = next;             //访问下一个Entry链上的元素
                } while (e != null);
            }
        }
    }

newTable[i] 的引用赋给了 e.next ，也就是使用了单链表的头插入方式，同一位置上新元素总会被放在链表的头部位置；这样先放在一个索引上的元素终会被放到 Entry 链的尾部(如果发生了 hash 冲突的话）。

14. 一般用什么作为HashMap的key?

一般用Integer、String 这种不可变类当 HashMap 当 key，而且 String 最为常用。

因为字符串是不可变的，所以在它创建的时候 hashcode 就被缓存了，不需要重新计算。这就是 HashMap 中的键往往都使用字符串的原因。
因为获取对象的时候要用到 equals() 和 hashCode() 方法，那么键对象正确的重写这两个方法是非常重要的,这些类已经很规范的重写了 hashCode() 以及 equals() 方法。

15. HashMap为什么线程不安全？

在这里插入图片描述

多线程下扩容死循环。JDK1.7中的 HashMap 使用头插法插入元素，在多线程的环境下，扩容的时候有可能导致环形链表的出现，形成死循环。因此，JDK1.8使用尾插法插入元素，在扩容时会保持链表元素原本的顺序，不会出现环形链表的问题。
多线程的put可能导致元素的丢失。多线程同时执行 put 操作，如果计算出来的索引位置是相同的，那会造成前一个 key 被后一个 key 覆盖，从而导致元素的丢失。此问题在JDK 1.7和 JDK 1.8 中都存在。
put和get并发时，可能导致get为null。线程1执行put时，因为元素个数超出threshold而导致rehash，线程2此时执行get，有可能导致这个问题。此问题在JDK 1.7和 JDK 1.8 中都存在。

16. ConcurrentHashMap 的实现原理是什么？

ConcurrentHashMap 在 JDK1.7 和 JDK1.8 的实现方式是不同的。

先来看下JDK1.7

JDK1.7中的ConcurrentHashMap 是由 Segment 数组结构和 HashEntry 数组结构组成，即ConcurrentHashMap 把哈希桶切分成小数组（Segment ），每个小数组有 n 个 HashEntry 组成。

其中，Segment 继承了 ReentrantLock，所以 Segment 是一种可重入锁，扮演锁的角色；HashEntry 用于存储键值对数据。

在这里插入图片描述
首先将数据分为一段一段的存储，然后给每一段数据配一把锁，当一个线程占用锁访问其中一个段数据时，其他段的数据也能被其他线程访问，能够实现真正的并发访问。

再来看下JDK1.8

在数据结构上， JDK1.8 中的ConcurrentHashMap 选择了与 HashMap 相同的数组+链表+红黑树结构；在锁的实现上，抛弃了原有的 Segment 分段锁，采用CAS + synchronized实现更加低粒度的锁。

将锁的级别控制在了更细粒度的哈希桶元素级别，也就是说只需要锁住这个链表头结点（红黑树的根节点），就不会影响其他的哈希桶元素的读写，大大提高了并发度。

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17. ConcurrentHashMap 的 put 方法执行逻辑是什么？

先来看JDK1.7

首先，会尝试获取锁，如果获取失败，利用自旋获取锁；如果自旋重试的次数超过 64 次，则改为阻塞获取锁。

获取到锁后：

将当前 Segment 中的 table 通过 key 的 hashcode 定位到 HashEntry。
遍历该 HashEntry，如果不为空则判断传入的 key 和当前遍历的 key 是否相等，相等则覆盖旧的 value。
不为空则需要新建一个 HashEntry 并加入到 Segment 中，同时会先判断是否需要扩容。
释放 Segment 的锁。

再来看JDK1.8

大致可以分为以下步骤：

根据 key 计算出 hash值。
判断是否需要进行初始化。
定位到 Node，拿到首节点 f，判断首节点 f：
如果为 null ，则通过cas的方式尝试添加。
如果为 f.hash = MOVED = -1 ，说明其他线程在扩容，参与一起扩容。
如果都不满足，synchronized 锁住 f 节点，判断是链表还是红黑树，遍历插入。
当在链表长度达到8的时候，数组扩容或者将链表转换为红黑树。

18. ConcurrentHashMap 的 get 方法是否要加锁，为什么？

get 方法不需要加锁。因为 Node 的元素 val 和指针 next 是用 volatile 修饰的，在多线程环境下线程A修改结点的val或者新增节点的时候是对线程B可见的。

这也是它比其他并发集合比如 Hashtable、用 Collections.synchronizedMap()包装的 HashMap 安全效率高的原因之一。

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final int hash;
    final K key;
    //可以看到这些都用了volatile修饰
    volatile V val;
    volatile Node<K,V> next;
}

19. get方法不需要加锁与volatile修饰的哈希桶有关吗？

没有关系。哈希桶table用volatile修饰主要是保证在数组扩容的时候保证可见性。

static final class Segment<K,V> extends ReentrantLock implements Serializable {

    // 存放数据的桶
    transient volatile HashEntry<K,V>[] table;

20. ConcurrentHashMap 不支持 key 或者 value 为 null 的原因？

我们先来说value 为什么不能为 null ，因为ConcurrentHashMap 是用于多线程的，如果map.get(key)得到了 null ，无法判断，是映射的value是 null ，还是没有找到对应的key而为 null ，这就有了二义性。

而用于单线程状态的HashMap却可以用containsKey(key) 去判断到底是否包含了这个 null 。

我们用反证法来推理：

假设ConcurrentHashMap 允许存放值为 null 的value，这时有A、B两个线程，线程A调用ConcurrentHashMap .get(key)方法，返回为 null ，我们不知道这个 null 是没有映射的 null ，还是存的值就是 null 。

假设此时，返回为 null 的真实情况是没有找到对应的key。那么，我们可以用ConcurrentHashMap .containsKey(key)来验证我们的假设是否成立，我们期望的结果是返回false。

但是在我们调用ConcurrentHashMap .get(key)方法之后，containsKey方法之前，线程B执行了ConcurrentHashMap .put(key, null )的操作。那么我们调用containsKey方法返回的就是true了，这就与我们的假设的真实情况不符合了，这就有了二义性。

总结：数据结构和集合这快的面试考点还是很多的，希望大家仔细看看，这只是一部分。我们分三部分来更新。

多谢大家支持！！！

如果没看过前几篇的文章的，可以点击链接去看看，如果方便可以点赞收藏，给我点个关注，创作不易！

JAVA基础面试题（第八篇）上！集合与数据结构

JAVA基础面试题（第七篇）！异常

JAVA基础面试题（第六篇）！序列化与IO流

JAVA基础面试题（第五篇）！反射与泛型

JAVA基础面试题（第四篇）！equal、hashcode及String解析

JAVA基础面试题（第三篇）！面向对象

JAVA基础面试题（第二篇）！基础语法与关键字

JAVA基础面试题（第一篇）！