有关 HashMap 面试会问的一切

前言

大家好，本篇文章是《齐姐说数据结构》系列的第三篇，更多数据结构和算法的文章已经整理在我的 Github 上了：https://github.com/xiaoqi6666...

HashMap 是无论在工作还是面试中都非常常见常考的数据结构。

比如 Leetcode 第一题 Two Sum 的某种变种的最优解就是需要用到 HashMap 的，高频考题 LRU Cache 是需要用到 LinkedHashMap 的。

HashMap 用起来很简单，底层实现也不复杂，先来看几道常见的面试题吧。相信大家多多少少都能回答上来一点，不清楚的地方就仔细阅读本文啦～这篇文章带你深挖到 HashMap 的老祖宗，保证吊打面试官

本文分以下章节：

  • Set 和 Map 家族简介

  • HashMap 实现原理

  • 哈希冲突详解

  • HashMap 基本操作

  • 习题 Two Sum

  • 习题 LRU

Set 家族

在讲 Map 之前，我们先来看看 Set。

集合的概念我们初中数学就学过了，就是里面不能有重复元素，这里也是一样。

Set 在 Java 中是一个接口，可以看到它是 java.util 包中的一个集合框架类，具体的实现类有很多：

其中比较常用的有三种：

HashSet: 采用 Hashmap 的 key 来储存元素，主要特点是无序的，基本操作都是 O(1) 的时间复杂度，很快。

LinkedHashSet: 这个是一个 HashSet + LinkedList 的结构，特点就是既拥有了 O(1) 的时间复杂度，又能够保留插入的顺序。

TreeSet: 采用红黑树结构，特点是可以有序，可以用自然排序或者自定义比较器来排序；缺点就是查询速度没有 HashSet 快。

Map 家族

Map 是一个键值对 (Key - Value pairs)，其中 key 是不可以重复的，毕竟 set 中的 key 要存在这里面。

那么与 Set 相对应的，Map 也有这三个实现类：

HashMap: 与 HashSet 对应，也是无序的，O(1)。

LinkedHashMap: 这是一个「HashMap + 双向链表」的结构，落脚点是 HashMap，所以既拥有 HashMap 的所有特性还能有顺序。

TreeMap: 是有序的，本质是用二叉搜索树来实现的。

HashMap 实现原理

对于 HashMap 中的每个 key，首先通过 hash function 计算出一个 hash 值，这个hash值就代表了在 buckets 里的编号，而 buckets 实际上是用数组来实现的，所以把这个数值模上数组的长度得到它在数组的 index，就这样把它放在了数组里。

那么这里有几个问题：

答：这就是哈希碰撞，即多个 key 对应了同一个桶。

答：通过 hashCode() 和 equals() 方法来保证元素的唯一性。

答：Rehasing. 也就是碰撞太多的时候，会把数组扩容至两倍（默认）。所以这样虽然 hash 值没有变，但是因为数组的长度变了，所以算出来的 index 就变了，就会被分配到不同的位置上了，就不用挤在一起了，小伙伴们我们江湖再见～

答：load factor. 即用 pair 的数量除以 buckets 的数量，也就是平均每个桶里装几对。Java 中默认值是 0.75f，如果超过了这个值就会 rehashing.

关于 hashCode() 和 equals()

如果 key 的 hashCode() 值相同，那么有可能是要发生 hash collision 了，也有可能是真的遇到了另一个自己。那么如何判断呢？继续用 equals() 来比较。

也就是说，

那么该如何回答这道<span>经典面试题</span>：

<span>为什么重写 equals() 方法，一定要重写 hashCode() 呢？

答：首先我们有一个假设：任何两个 object 的 hashCode 都是不同的。

那么在这个条件下，有两个 object 是相等的，那如果不重写 hashCode()，算出来的哈希值都不一样，就会去到不同的 buckets 了，就迷失在茫茫人海中了，再也无法相认，就和 equals() 条件矛盾了，证毕。

撒花～～🎉🎉🎉

接下来我们再对这两个方法一探究竟：

其实 hashCode() 和 equals() 方法都是在 Object class 这个老祖宗里定义的，Object 是所有 Java 中的 class 的鼻祖，默认都是有的，甩不掉的。

那既然是白给的，我们先来看看大礼包里有什么，谷歌 Object 的 Oracle 文档：

所以这些方法都是可以直接拿来用的呢～

回到 hashCode() 和 equals()，那么如果这个新的 class 里没有重写 (override) 这两个方法，就是默认继承 Object class 里的定义了。

那我们点进去来看看 equals() 是怎么定义的：

记笔记：

equals() 方法就是比较这两个 references 是否指向了同一个 object.

嗯？？？你在逗我吗？？那岂不是和 == 一样了？？

我不信，我要去源码里看看它是怎么实现的。

​

哈，还真是的，绕了这么半天，equals() 就是用 == 来实现的！

那为什么还弄出来这么个方法呢？

<span>答：为了让你 override～

比如一般来说我们比较字符串就是想比较这两个字符串的内容的，那么：

str1 = “tianxiaoqi”;
str2 =  new String(“tianxiaoqi”);
str1 == str2; // return false
str1.equals(str2); // return true

因为 String 里是重写了 equals() 方法的：

老祖宗留给你就是让你自己用的，如果你不用，那人家也提供了默认的方法，也是够意思了。

好了，我们再去看 hashCode() 的介绍：

那至于 hashCode() 返回的究竟是什么，和本文关联不太大，有兴趣的同学可以看参考这篇文章参考文章")，结论就是：

但无论是怎么实现的，都需要遵循文档上的约定，也就是对不同的 object 会返回唯一的哈希值。

### 哈希冲突详解

一般来说哈希冲突有两大类解决方式

Java 中采用的是第一种 Separate chaining，即在发生碰撞的那个桶后面再加一条“链”来存储，那么这个“链”使用的具体是什么数据结构，不同的版本稍有不同：

（话说，这个还真的喜欢考，已经在多次面试中被问过了，还有面试官问为什么是超过“8”才用红黑树🤔）

第二种方法 open addressing 也是非常重要的思想，因为在真实的分布式系统里，有很多地方会用到 hash 的思想但又不适合用 seprate chaining。

这种方法是顺序查找，如果这个桶里已经被占了，那就按照“某种方式”继续找下一个没有被占的桶，直到找到第一个的。

空的

如图所示，John Smith 和 Sandra Dee 发生了哈希冲突，都被计算到 152 号桶，于是 Sandra 就去了下一个空位 - 153 号桶，当然也会对之后的 key 发生影响：Ted Baker 计算结果本应是放在 153 号的，但鉴于已经被 Sandra 占了，就只能再去下一个空位了，所以到了 154 号。

这种方式叫做 Linear probing 线性探查，就像上图所示，一个个的顺着找下一个空位。当然还有其他的方式，比如去找平方数，或者 Double hashing.

HashMap 基本操作

每种数据结构的基本操作都无外乎<span>增删改查</span>这四种，具体到 HashMap 来说，

细心的同学可能发现了，为什么有些 key 的类型是 Object，有些是 K 呢？这还不是因为 equals()...

这是因为，在 get/remove 的时候，不一定是用的同一个 object。

还记得那个 str1 和 str2 都是田小齐的例子吗？那比如我先 put(str1, value)，然后用 get(str2) 的时候，也是想要到 tianxiaoqi 对应的 value 呀！不能因为我换了身衣服就不认得我了呀！所以在 get/remove 的时候并没有很限制 key 的类型，方便另一个自己相认。

其实这些 API 的操作流程大同小异，我们以最复杂的 put(K key, V value) 来讲：

  1. 首先要拿到 array 中要放的位置的 index

  • 怎么找 index 呢，这里我们可以单独用 getIndex() method 来做这件事；

  • 具体怎么做，就是通过 hash function 算出来的值，模上数组的长度；

  1. 那拿到了这个位置的 Node，我们开始 traverse 这个 LinkedList，这就是在链表上的操作了，

  • 如果找的到，就更新一下 value；

  • 如果没找到，就把它放在链表上，可以放头上，也可以放尾上，一般我喜欢放头上，因为新加入的元素用到的概率总是大一些，但并不影响时间复杂度。

代码如下：

  public V put(K key, V value) {
int index = getIndex(key);
Node<K, V> node = array[index];
Node<K, V> head = node;
while (node != null) {
// 原来有这个 key，仅更新值
if (checkEquals(key, node)) {
V preValue = node.value;
node.value = value;
return preValue;
}
node = node.next;
}
// 原来没有这个 key，新加这个 node
Node<K, V> newNode = new Node(key, value);
newNode.next = head;
array[index] = newNode;
return null;
}

至于更多的细节比如加一些 rehashing 啊，load factor 啊，大家可以参考源码。

读完源码大家可以做做 Leetcode 706 题练手，so easy~

### 与 Hashtable 的区别

这是一个年龄暴露贴，HashMap 与 Hashtable 的关系，就像 ArrayList 与 Vector，以及 StringBuilder 与 StringBuffer。

Hashtable 是早期 JDK 提供的接口，HashMap 是新版的；
它们之间最显著的区别，就是 Hashtable 是线程安全的，HashMap 并非线程安全。

所以 HashMap, ArrayList, StringBuilder 不再考虑线程安全的问题，性能提升了很多，当然，线程安全问题也就转移给我们程序员了。

另外一个区别就是：HashMap 允许 key 中有 null 值，Hashtable 是不允许的。这样的好处就是可以给一个默认值。

在算法面试中，有关 HashMap 的算法题也很常见，比如有名的 Top K 问题，还有 LRU Cache 问题，这两道题都是非常高频的考题，之后也会讲到，还请大家继续关注我吧！

如果你喜欢这篇文章，记得给我点赞留言哦～你们的支持和认可，就是我创作的最大动力，我们下篇文章见！

我是小齐，纽约程序媛，终生学习者，每天晚上 9 点，云自习室里不见不散！

更多干货文章见我的 Github: https://github.com/xiaoqi6666...

以上是 有关 HashMap 面试会问的一切 的全部内容， 来源链接： utcz.com/a/46646.html

回到顶部