你真的懂大厂面试题：HashMap吗？

你真的懂大厂面试题：HashMap吗？

jdk1.8版本HashMap

• HashMap基本数据结构

  hashMap是数组+链表或者数组+红黑树的结构,如下图
  

以HashMap的put方法和get方法为出发点，从源码角度，阐述面试的知识点

• HashMap中<key,value>元素被封装成Node对象

  static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
      final int hash;
      final K key;
      V value;
      Node<K,V> next;
  
      Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
          this.hash = hash;
          this.key = key;
          this.value = value;
          this.next = next;
      }
  
      public final K getKey()        { return key; }
      public final V getValue()      { return value; }
      public final String toString() { return key + "=" + value; }
  
      public final int hashCode() {
          return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
      }
  
      public final V setValue(V newValue) {
          V oldValue = value;
          value = newValue;
          return oldValue;
      }
  }
  

• put方法

  HashMap的put方法会调用putVal方法

  //hashmap的put方法
  public V put(K key, V value) {
  	return putVal(hash(key), key, value, false, true);
  }
  

  hash函数

  hash过程(即hash函数)是HashMap的一个核心知识点。hash映射的计算过程是hashValue&(n-1).

  计算公式中的hashValue就是hash函数返回的结果。即key.hashCode与其高16位相异或的结果。

  为什么是key.hashCode与其高16位相异或的结果？

  n是2的幂次方,所以n-1,一定是前部全为0，尾部全为1。类似00001111,假设hashValue==01010111

  其与00001111相与，由于0与[0或1]相与一定为0，所以相与过程中，只利用到了hashVaule的0111

  后四位，所以为了增加多样性，使散列均匀，让hashValue与其前四位相异或，融入后四位的差异。

  static final int hash(Object key) {
      int h;
      return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
  }
  

  putVal函数

  首先判断map是否为空，为空调用resize函数进行初始化，初始数组大小为16(数组大小一定是2的幂次方），初始加载因子0.75，之后进行hash映射计算(n-1)&hash，得到hash位置(数组中的位置)，如果没有hash冲突，就直接插入。之后分两种情况讨论，红黑树结构，按照红黑树的方式进行插入或覆盖。链表结构，使用尾插法进行插入或替换，并且如果插入后，超过规定的阈值，链表结构会转换成红黑树结构。

  最后如果插入元素后，数组中包含的元素超过加载阈值，会调用resize函数进行扩容操作

  final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                  boolean evict) {
      Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
      //判断map是否为空，为空调用resize函数初始化
      if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
          n = (tab = resize()).length;
      //如果没有hash冲突，就直接插入
      if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
          tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
      else {
          Node<K,V> e; K k;
          if (p.hash == hash &&
              ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
              e = p;
          //红黑树结构，使用红黑树操作
          else if (p instanceof TreeNode)
              e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
          //链表结构，使用尾插法进行插入
          else {
              for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                  if ((e = p.next) == null) {
                      p.next = newNode(hash, key, value, null);
                      if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                          treeifyBin(tab, hash);
                      break;
                  }
                  if (e.hash == hash &&
                      ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                      break;
                  p = e;
              }
          }
          //存在相同的key，则考虑值覆盖
          if (e != null) { // existing mapping for key
              V oldValue = e.value;
              if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                  e.value = value;
              afterNodeAccess(e);
              return oldValue;
          }
      }
      ++modCount;
      //如果元素大于阈值，则进行扩容操作
      if (++size > threshold)
          resize();
      afterNodeInsertion(evict);
      return null;
  }
  

  resize函数

  hashMap的扩容操作，其实也是一个核心知识点。

  如果2倍的原数组大小小于一个最大数量阈值，则可以进行扩容操作，原数组大小扩容成两倍，加载阈值也扩大为两倍。为什么一定要扩容为其两倍？因为数组大小一定必须为2的幂次方，数组大小n是2的幂次方的话, $n-1$一定是前部均为0尾部均为1的形式， $hash\&(n-1)$范围一定是 $[0,n-1]$.

  由于数组扩容了，原数组必须会有一个rehash过程。

  分为两种情况，一红黑树结构，是通过分裂实现rehash过程

  二是链表结构

  这里的 $n$是oldcap ,即原数组大小

  如果 $n\ \&\ hash == 0$则 $(2n-1)\&hash ==(n-1) \& hash$

  如果 $n\ \&\ hash\ !=\ 0$则 $(2n-1)\&hash == (n-1)\&hash + n$

  上面结论，自己可以在草稿纸上推一推

  根据上面结论，可以依据 $hashValue\ \&\ n$的结果,将链表中的元素分为两个链表，一个依旧放在原位置

  一个放在原位置+n处

  final Node<K,V>[] resize() {
      Node<K,V>[] oldTab = table;
      int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
      int oldThr = threshold;
      int newCap, newThr = 0;
      //原数组大小不为0
      if (oldCap > 0) {
          //超过最大容量不允许扩容，直接返回原数组
          if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
              threshold = Integer.MAX_VALUE;
              return oldTab;
          }
          
          else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                   oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
              newThr = oldThr << 1; // double threshold
      }
      else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
          newCap = oldThr;
      else {               // zero initial threshold signifies using defaults
          newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
          newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
      }
      if (newThr == 0) {
          float ft = (float)newCap * loadFactor;
          newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                    (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
      }
      threshold = newThr;
      @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
      Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
      table = newTab;
      //rehash过程
      if (oldTab != null) {
          for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
              Node<K,V> e;
              if ((e = oldTab[j]) != null) {
                  oldTab[j] = null;
                  if (e.next == null)
                      newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                  //红黑树结构通过分裂
                  else if (e instanceof TreeNode)
                      ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                  else { // preserve order
                      Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                      Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                      Node<K,V> next;
                      do {
                          next = e.next;
                          //第一种情况
                          if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                              if (loTail == null)
                                  loHead = e;
                              else
                                  loTail.next = e;
                              loTail = e;
                          }
                          //第二种情况
                          else {
                              if (hiTail == null)
                                  hiHead = e;
                              else
                                  hiTail.next = e;
                              hiTail = e;
                          }
                      } while ((e = next) != null);
                      if (loTail != null) {
                          loTail.next = null;
                          newTab[j] = loHead;
                      }
                      if (hiTail != null) {
                          hiTail.next = null;
                          newTab[j + oldCap] = hiHead;
                      }
                  }
              }
          }
      }
      return newTab;
  }