HashMap和HashTable底层原理以及常见面试题

  • Z时代
  • 2024-01-10
  • 分类：综合

1．HashMap VS HashTable

1.1.首先说下 HashMap 的原理。

HashMap 的数据结构

/**
The table, resized as necessary. Length MUST Always be a power of two.
**/
transient Entry[] table;
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V>{
   final K key;
   V value;
    Entry<K,V> next;
    final int hash;
    ...
 }

HashMap存储函数的实现put(K key, V value)

根据下面put方法的源代码可以看出，当程序试图将一个key-value对放入HashMap中时

  • 1.程序首先计算该key的hashCode()值

  • 2.然后对该哈希码值进行再哈希

  • 3.然后把哈希值和(数组长度-1)进行按位与操作，得到存储的数组下标

  • 4.如果该位置处设有链表节点，那么就直接把包含<key,value>的节点放入该位置。如果该位置有结点，就对链表进行遍历，看是否有hash,key和要放入的节点相同的节点，如果有的话，就替换该节点的value值，如果没有相同的话，就创建节点放入值，并把该节点插入到链表表头(头插法)。

public V put(K key, V value) {
 //HashMap允许存放null键和null值。
 //当key为nu11时， 调用putForNullKey方法，将valve放置在数组第一个位置。
 if (key = null)
 return putForNullKey(value);
 //根据key的keyCode重新计算hash值。
 int hash = hash(key .hashCode());
 //搜索指定hash值在对应table中的索
 int i = indexFor(hash, table . length);
 //如果i索引处的Entry不为null,通过循环不断遍历e元素的下一个元素。
 for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null;e = e.next) {
  Object k;
  if (e.hash == hash && ((k == e.key) == key || key. equals(k))) {
  V oldValue = e.value;
  e.value = value;
  e.recordAccess(this);
  return oldValue;
  }
 }
 //如果读引处的Entry为null，表明此处还没有Entry
 omodCount++;
 //将key、 value添加到索引处。
 addEntry(hash, key, value, i);
 return null;
}

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
 //获取指定bucketIndex 索引处的Entry
 Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
 //将新创健的Entry 放入bucketIndex索引处，并让新的Entry 指向原来的Entry
 table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
 //如果Hap中的key-value对的数里超过了极限
 if (size++ >= threshold)
 //把table对象的长度扩充到原理的2倍
  resize(2*table.length);
}

二倍扩容

 void resize(int newCapacity) {
    Entry[] oldTable = table;
    int oldCapacity = oldTable.length;
    if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
      threshold = Integer.MAX_VALUE;
      return;
    }
    Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
    transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));
    table = newTable;
    threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
  }

void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
    int newCapacity = newTable.length;
    for (Entry<K,V> e : table) {
      while(null != e) {
        Entry<K,V> next = e.next;
        if (rehash) {
          e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
        }
        int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
        e.next = newTable[i];
        newTable[i] = e;
        e = next;
      }
    }
  }

static int indexFor(int h, int length) {
    // assert Integer.bitCount(length) == 1 : "length must be a non-zero power of 2";
    return h & (length-1);
  }

static int hash(int h){
 h ^ =(h>>>20)^ (h>>>12);
 return h ^ (h>>>7) ^ (h>>>4);
}

扩展:为何数组的长度是2的n次方呢?

1.这个方法非常巧妙，它通过h & (table.length-1)来得到该对象的保存位，而HashMap底层数组的长度总是2的n次方，2^n -1得到的二进制数的每个位上的值都为1,那么与全部为1的一一个数进行与操作，速度会大大提升。

2.当length总是2的n次方时，h& (length-1)运 算等价王对length取模，也就是h%length,但是&比%县有更高的效率。

3.当数组长度为2的n次幂的时候，不同的key算得的index相同的几率较小，那么数据在数组上分布就比较均匀，也就是说碰擁的几率小，相对的，查询的时候就不用遍历某个位置上的链表，这样查询效率也就较高了。

HashMap读取函数的实现get

public V get(object key) {
   if (key = null)
   return getForNullKey();
   int hash ”hash(key.hashCode());
   for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table. length)];
    e!=null;
    e = e.next) {
    0bject k;
    if (e.hash=hash && ((k=e.key)==key II key.equals(k)){
    return e.value;
    }
   return null;
}

hashMap的get方法1. 是首先通过key的两次hash后的值与数组的长度-1进行与操作，定位到数组的某个位置，2. 然后对该列的链表进行遍历，一般情况下，hashMap的这种查找速度是非常快的，hash 值相同的元(O就会造成链表中数据很多，而链表中的数据查找是通过应历所有链表中的元素进行的，这可能会影响到查找速度，找到即返回。特别注意:当返回为null时，你不能判断是没有找到指定元素，还是在hashmap中存着一一个value为null的元素，因为hashmap允许value为null.

HashMap的扩容机制:

当HashMap中的结点个数超过数组大小loadEactor*(加载因子)时，就会进行数组扩容,loadFactor的默认值为0.75.世就是说，默认情况下，数组大小为16，那么当HashMap电结点个数超过160.75=12的时候，就把数组的大小和展为216=32,即扩大一倍，然后重新计算每个元素在数组中的位置，并放进去，而这是一个非常消耗性能的操作。

多线程下HashMap出现的问题:

1.多线程put操作后，get操作导致死循环导致cpu100%的现象。主要是多线程同时put时，如果同时触发了rehash操作，会导政扩客后的HashMap中的链表中出现循环节点进而使得后面get的时候，会死循环。

2.多线程put操作，导致元素丢失，也是发生在个线程对hashmap 扩容时。

2.hashTable的原理。

它的原理和hashMap基本一致。

3.HashMap和HashTable的区别。

1.Hashtable 是线程安全的，方法是Synchronized 的，适合在多线程环境中使用，效率稍低: HashMap不是线程安全的，方法不是Synchronized的，效率稍高，适合在单线程环境下使用，所以在多线程场合下使用的话，需要手动同步HashMap，Collctions. synchronizedMap()。

PS:HashTable的效率比较低的原因?

在线程竞争激烈的情况下HashTable的效率非常低下。因为当一个线程访间HashTable的同步方法时，访问其他同步方法的线程就可能会进入阻嘉或者轮训状态。如线程1使用put进行添加元素，线程2不但不能使用put方法添加元素，并且也不能使用get方法来获取元素，所以竞争越激烈改率越低.

2.HashMap的key和value都可以为null值，HashTable 的key和value都不允许L Null值。

3.HashMap中数组的默认大小是16，而且一定是2的倍数，扩容后的数組长度是之前数组长度的2倍。HashTable中数组默认大小是11.扩容后的数组长度是之前数组长度的2倍+1。

4.哈希直的使用不同。

而HashMap重新计算hash值，面且用&代替求模:

int hash = hash(key.hashcode0);
int i= indexFor(hash, table.length);
static int hash(Objectx) {
 int h = x.hashCode();
 h += ~(h<<9);h^= (h>>> 14);
 h+=(h<< 4);
 h ^= (h>>> 10);
 returm h;
}

static int indexFor(int h, int length) {
 return h & (length-1); //hashmap的表长永远是2^n。
}

HashTable直接使用对象的hashCode值:

int hash = key.hashCode(); //注意区分2者的hash值!! int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;

4.判断是否含有某个键

在HashMap中，null 可以作为键，这样的键只有一个，可以有一个或多个键所对应的值为null,当get()方法返回null值时，既可以表示HashMap中没有该键，也可以表示该键所对应的值为null。因此，在HashMap中不能用get()方法来判断HashMap中是否存在某个键，而应该用containsKey()方法来判析。Hashtable的键值都不能为null,所以可以用get()方 法来判断是否含有某个键。

总结

以上是 HashMap和HashTable底层原理以及常见面试题 的全部内容， 来源链接： utcz.com/z/332874.html

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