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HashMap 相关面试题及其解答

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TinyDolphin
2017.11.21 13:31* 字数 2760

Q:HashMap 的数据结构?

A:哈希表结构(链表散列:数组+链表)实现,结合数组和链表的优点。当链表长度超过 8 时,链表转换为红黑树
transient Node<K,V>[] table;


Q:HashMap 的工作原理?

A:HashMap 底层是 hash 数组单向链表实现,数组中的每个元素都是链表,由 Node 内部类(实现 Map.Entry<K,V>接口)实现,HashMap 通过 put & get 方法存储和获取。

存储对象时,将 K/V 键值传给 put() 方法:①、调用 hash(K) 方法计算 K 的 hash 值,然后结合数组长度,计算得数组下标;②、调整数组大小(当容器中的元素个数大于 capacity * loadfactor 时,容器会进行扩容resize 为 2n);
③、i.如果 K 的 hash 值在 HashMap 中不存在,则执行插入,若存在,则发生碰撞
ii.如果 K 的 hash 值在 HashMap 中存在,且它们两者 equals 返回 true,则更新键值对
iii. 如果 K 的 hash 值在 HashMap 中存在,且它们两者 equals 返回 false,则插入链表的尾部(尾插法)或者红黑树中(树的添加方式)

JDK 1.7 之前使用头插法JDK 1.8 使用尾插法
(注意:当碰撞导致链表大于 TREEIFY_THRESHOLD = 8 时,就把链表转换成红黑树)

获取对象时,将 K 传给 get() 方法:①、调用 hash(K) 方法(计算 K 的 hash 值)从而获取该键值所在链表的数组下标;②、顺序遍历链表,equals()方法查找相同 Node 链表中 K 值对应的 V 值。

hashCode 是定位的,存储位置;equals是定性的,比较两者是否相等


Q:当两个对象的 hashCode 相同会发生什么?

A:因为 hashCode 相同,不一定就是相等的(equals方法比较),所以两个对象所在数组的下标相同,"碰撞"就此发生。又因为 HashMap 使用链表存储对象,这个 Node 会存储到链表中。


Q:你知道 hash 的实现吗?为什么要这样实现?

A:JDK 1.8 中,是通过 hashCode() 的高 16 位异或低 16 位实现的:(h = k.hashCode()) ^ (h >>> 16),主要是从速度,功效和质量来考虑的,减少系统的开销,也不会造成因为高位没有参与下标的计算,从而引起的碰撞

Q:为什么要用异或运算符?
A:保证了对象的 hashCode 的 32 位值只要有一位发生改变,整个 hash() 返回值就会改变。尽可能的减少碰撞。


Q:HashMap 的 table 的容量如何确定?loadFactor 是什么? 该容量如何变化?这种变化会带来什么问题?

A:①、table 数组大小是由 capacity 这个参数确定的,默认是16,也可以构造时传入,最大限制是1<<30;
②、loadFactor 是装载因子,主要目的是用来确认table 数组是否需要动态扩展,默认值是0.75,比如table 数组大小为 16,装载因子为 0.75 时,threshold 就是12,当 table 的实际大小超过 12 时,table就需要动态扩容;
③、扩容时,调用 resize() 方法,将 table 长度变为原来的两倍(注意是 table 长度,而不是 threshold)
④、如果数据很大的情况下,扩展时将会带来性能的损失,在性能要求很高的地方,这种损失很可能很致命。


Q:HashMap 的遍历方式及其性能对比

A:主要四种方式:
NO.1:for-each map.keySet() -- 只需要K值的时候,推荐使用

for (String key : map.keySet()) {
    map.get(key);
}

NO.2:for-each map.entrySet() -- 当需要V值的时候,推荐使用

for (Map.Entry<String, String> entry : map.entrySet()) {
    entry.getKey();
    entry.getValue();
}

NO.3:for-each map.entrySet() + 临时变量

Set<Map.Entry<String, String>> entrySet = map.entrySet();
    for (Map.Entry<String, String> entry : entrySet) {
        entry.getKey();
        entry.getValue();
}

NO.4:for-each map.entrySet().iterator()

Iterator<Map.Entry<String, String>> iterator = map.entrySet().iterator();
    while (iterator.hasNext()) {
        Map.Entry<String, String> entry = iterator.next();
        entry.getKey();
        entry.getValue();
}

Q:HashMap,LinkedHashMap,TreeMap 有什么区别?

A:HashMap 参考其他问题;
LinkedHashMap 保存了记录的插入顺序,在用 Iterator 遍历时,先取到的记录肯定是先插入的;遍历比 HashMap 慢;
TreeMap 实现 SortMap 接口,能够把它保存的记录根据键排序(默认按键值升序排序,也可以指定排序的比较器)


Q:HashMap & TreeMap & LinkedHashMap 使用场景?

A:一般情况下,使用最多的是 HashMap
HashMap:在 Map 中插入、删除和定位元素时;
TreeMap:在需要按自然顺序或自定义顺序遍历键的情况下;
LinkedHashMap:在需要输出的顺序和输入的顺序相同的情况下。


Q:HashMap 和 HashTable 有什么区别?

A:①、HashMap 是线程不安全的,HashTable线程安全的;
②、由于线程安全,所以 HashTable 的效率比不上 HashMap;
③、HashMap最多只允许一条记录的键为null,允许多条记录的值为null,而 HashTable 不允许;
④、HashMap 默认初始化数组的大小为16HashTable11,前者扩容时,扩大两倍,后者扩大两倍+1
⑤、HashMap 需要重新计算 hash 值,而 HashTable 直接使用对象的 hashCode


Q:Java 中的另一个线程安全的与 HashMap 极其类似的类是什么?同样是线程安全,它与 HashTable 在线程同步上有什么不同?

A:ConcurrentHashMap 类(是 Java并发包 java.util.concurrent 中提供的一个线程安全且高效的 HashMap 实现)。
HashTable 是使用 synchronize 关键字加锁的原理(就是对对象加锁);
而针对 ConcurrentHashMap,在 JDK 1.7 中采用 分段锁的方式;JDK 1.8 中直接采用了CAS(无锁算法)+ synchronized


Q:HashMap & ConcurrentHashMap 的区别?

A:除了加锁,原理上无太大区别。

另外,HashMap 的键值对允许有null,但是ConCurrentHashMap 都不允许


Q:为什么 ConcurrentHashMap 比 HashTable 效率要高?

A:HashTable 使用一把锁(锁住整个链表结构)处理并发问题,多个线程竞争一把锁,容易阻塞

ConcurrentHashMap
JDK 1.7 中使用分段锁(ReentrantLock + Segment + HashEntry),相当于把一个 HashMap 分成多个段,每段分配一把锁,这样支持多线程访问。锁粒度:基于 Segment,包含多个 HashEntry。
JDK 1.8 中使用 CAS + synchronized + Node + 红黑树。锁粒度:Node(首结点)(实现 Map.Entry<K,V>)。锁粒度降低了。


Q:针对 ConcurrentHashMap 锁机制具体分析(JDK 1.7 VS JDK 1.8)?

JDK 1.7 中,采用分段锁的机制,实现并发的更新操作,底层采用数组+链表的存储结构,包括两个核心静态内部类 Segment 和 HashEntry
①、Segment 继承 ReentrantLock(重入锁) 用来充当锁的角色,每个 Segment 对象守护每个散列映射表的若干个桶;
②、HashEntry 用来封装映射表的键-值对;
③、每个桶是由若干个 HashEntry 对象链接起来的链表。


JDK 1.8 中,采用Node + CAS + Synchronized来保证并发安全。取消类 Segment,直接用 table 数组存储键值对;当 HashEntry 对象组成的链表长度超过 TREEIFY_THRESHOLD 时,链表转换为红黑树,提升性能。底层变更为数组 + 链表 + 红黑树


Q:ConcurrentHashMap 在 JDK 1.8 中,为什么要使用内置锁 synchronized 来代替重入锁 ReentrantLock?

A:①、粒度降低了
②、JVM 开发团队没有放弃 synchronized,而且基于 JVM 的 synchronized 优化空间更大,更加自然。
③、在大量的数据操作下,对于 JVM 的内存压力,基于 API 的 ReentrantLock 会开销更多的内存


Q:ConcurrentHashMap 简单介绍?

A:
①、重要的常量:
private transient volatile int sizeCtl;
当为负数时,-1 表示正在初始化,-N 表示 N - 1 个线程正在进行扩容;
当为 0 时,表示 table 还没有初始化;
当为其他正数时,表示初始化或者下一次进行扩容的大小。

②、数据结构:
Node 是存储结构的基本单元,继承 HashMap 中的 Entry,用于存储数据
TreeNode 继承 Node,但是数据结构换成了二叉树结构,是红黑树的存储结构,用于红黑树中存储数据
TreeBin 是封装 TreeNode 的容器,提供转换红黑树的一些条件和锁的控制

③、存储对象时(put() 方法):
1.如果没有初始化,就调用 initTable() 方法来进行初始化
2.如果没有 hash 冲突就直接 CAS 无锁插入
3.如果需要扩容,就先进行扩容
4.如果存在 hash 冲突,就加锁来保证线程安全,两种情况:一种是链表形式就直接遍历到尾端插入,一种是红黑树就按照红黑树结构插入;
5.如果该链表的数量大于阀值 8,就要先转换成红黑树的结构,break 再一次进入循环
6.如果添加成功就调用 addCount() 方法统计 size,并且检查是否需要扩容

④、扩容方法 transfer():默认容量为 16,扩容时,容量变为原来的两倍
helpTransfer():调用多个工作线程一起帮助进行扩容,这样的效率就会更高。

⑤、获取对象时(get()方法):
1.计算 hash 值,定位到该 table 索引位置,如果是首结点符合就返回;
2.如果遇到扩容时,会调用标记正在扩容结点 ForwardingNode.find()方法,查找该结点,匹配就返回;
3.以上都不符合的话,就往下遍历结点,匹配就返回,否则最后就返回 null。


Q:ConcurrentHashMap 的并发度是什么?

A:程序运行时能够同时更新 ConccurentHashMap 且不产生锁竞争的最大线程数。默认为 16,且可以在构造函数中设置。当用户设置并发度时,ConcurrentHashMap 会使用大于等于该值的最小2幂指数作为实际并发度(假如用户设置并发度为17,实际并发度则为32)


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