HashMap高频面试知识点

news2024/9/19 21:50:43

HashMap
- HashMap是基于hash表的一种数据结构，用于存放键值对，核心就是把hash值映射到数组的索引位，通过数组+链表（JDK1.8开始通过数组+链表+红黑树）解决Hash冲突。
  - 因为当hash冲突较多时，链表中元素增加，查询插入等操作的时间复杂度从O(1)——>O(n)
  - 而二叉树的时间复杂度O(log n)
- 数组下标=（数组长度-1）&hash(key)，不同的key可能会产生相同的hash值，从而导致hash冲突，jdk1.7之前链表采用头插法，但是多线程环境下可能导致环路从而引发死循环。Jdk1.8之后采用尾插法。
- HashMap初始容量16，负载因子0.75，那么阈值就是16*0.75=12，超过12就会触发2倍扩容操作
- 扩容时，每个元素存储位置将根据新的数组容量重新计算hash值，并移动到新的数组中，这个操作加rehashing；
  - Jdk1.7之前，就是存粹的把所有元素重新hash，然后一个一个搬过去
  - Jdk1.8之后，旧数组长度16即010000，新数组长度32即100000
  - 而数组下标=（数组长度-1）&hash(key)，16-1为001111，32-1为011111
  - 所以重点就在于key的hash值从右往左第五位是否为1，如果为1那么久需要搬迁，新数组下标=原下标+旧数组长度16。
  - 如果是0的话，怎么与都是0，所以新数组高位按位与操作不受影响（注意：与操作有0为0，全1为1），那就说明在原位置，不需要迁移。减少了一部分hash计算的开销。
- 从jdk1.8开始，为了优化hash冲突时的查询性能，
  - 当链表的数量大于等于8并且数组的大小大于等于64，链表就会转换成红黑树。
  - 当数组长度小于64，则选择扩容。
    - 当数组容量较小，过早的转换成红黑树，可能很快又会触发数组扩容，导致没必要过早树化的开销。
    - 另外红黑树比链表更占内存。
  - 树的元素低于6的时候，树就会转换成链表。
- 常见的处理hash冲突的办法：拉链法，开放寻址法，再哈希法
HashMap VS Hashtable
- 线程安全
  - HashMap 线程不安全，多线程环境下会产生数据一致性问题。
  - Hashtable 线程安全，内部的方法采用了synchronized，保证了多线程并发的安全性。
- 性能差异
  - HashMap 由于没有线程同步的开销，所以性能优于Hashtable。
  - Hashtable 由于方法的锁机制，性能不如HashMap。
- 空值null
  - HashMap 允许一个null键，多个null值。
  - Hashtable 键值都不允许null，会报空指针异常。
ConcurrentHashMap
- ConcurrentHashMap是Hashtable的替代方案，读操作的无锁化，写操作的分段锁机制提高了并发的性能，避免了全局锁的瓶颈。性能优于Hashtable。
- JDK1.7 ConcurrentHashMap
  - 采用的是分段锁，每个Segment是独立的。默认16个，所以最多支持16个并发。
  - 采用数组+链表
  - 原理：
    - 先通过key的hash判断应该在哪个Segment的数据下标，然后对这个Segment加锁(Segment继承ReentrantLock，自带加锁的能力)。
    - 然后再次通过key的hash得到Segment里HashEntry的数组下标，接下去的步骤同HashMap。
  - 扩容：
    - 扩容时针对单个Segment进行扩容的，不会影响其他的Segment，每个Segment都有自己的负载因子。因此它并不是针对整个ConcurrentHashMap扩容的。
  - Size大小：先尝试不加锁三次计算sum值，如果三次值相同，就直接返回；如果不同就对每个Segment进行加锁计算
  - 缺陷：Segment数组一旦初始化了之后，就不会扩容，导致对并发度控制过于死板（只有HashEntry才会扩容）
  - 结构如下

JDK1.8 ConcurrentHashMap
- 移除了Segement的概念，锁的粒度更加细化，通过CAS进行写入操作，只有在更新链表和红黑树的节点时才会用到synchronized，并且只锁链表或树的头节点（相当于Node数组的每个节点都能上一把锁，并发度更高了）。
- 数组+链表+红黑树
- 原理：
  - 先计算key的hash后得到数组下标，如果数组下标没有Node，就通过CAS塞入新的Node。
  - 如果当前数组下标存在Node,那么则先通过Synchronized对这个Node加锁。
  - 然后再判断key是否相等，key相同就替换value, 反之就Hash冲突（操作同HashMap）
- 扩容：
  - Jdk1.8 取消了Segment,因此整个ConcurrentHashMap数组都会被扩容。通过CAS操作确保线程的安全，避免锁住整个数组，并且扩容时多个线程共同参与，逐步迁移就数据到新数组中。
  - 在putVal()的时候，如果无限循环的内部正在扩容，就调用helpTransfer()帮忙一起扩容，扩容完毕后还会向新的数组中插入元素的。

Size大小：jdk1.8中，搞了一个数组CounterCell ,每次put和remove的时候,先通过CAS修改baseCount的值，如果CAS失败，则说明存在线程竞争，就要通过hash到对应的CounterCell数组的下标下维护对应的数量；最终size=baseCount+所有的CounterCell