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Java面试高级篇—HashMap源码实现原理及底层结构面试题9期

Java精选 2018-03-13
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HashMap和Hashtable两者最主要的区别在于Hashtable是线程安全,而HashMap则非线程安全,HashMap可以使用null作为key,而Hashtable则不允许null作为key,HashMap是对Map接口的实现,HashTable实现了Map接口和Dictionary抽象类。


Java面试高级篇—HashMap源码实现原理及底层结构面试题9期

HashMap的源码,实现原理,底层结构。

下方区域查看答案解析!

-▼-

HashMap和Hashtable的区别

1)两者最主要的区别在于Hashtable是线程安全,而HashMap则非线程安全

Hashtable的实现方法里面都添加了synchronized关键字来确保线程同步,因此相对而言HashMap性能会高一些,我们平时使用时若无特殊需求建议使用HashMap,在多线程环境下若使用HashMap需要使用Collections.synchronizedMap()方法来获取一个线程安全的集合(Collections.synchronizedMap()实现原理是Collections定义了一个SynchronizedMap的内部类,这个类实现了Map接口,在调用方法时使用synchronized来保证线程同步,当然了实际上操作的还是我们传入的HashMap实例,简单的说就是Collections.synchronizedMap()方法帮我们在操作HashMap时自动添加了synchronized来实现线程同步,类似的其它Collections.synchronizedXX方法也是类似原理)


2)HashMap可以使用null作为key,而Hashtable则不允许null作为key

虽说HashMap支持null值作为key,不过建议还是尽量避免这样使用,因为一旦不小心使用了,若因此引发一些问题,排查起来很是费事

HashMap以null作为key时,总是存储在table数组的第一个节点上


3)HashMap是对Map接口的实现,Hashtable实现了Map接口和Dictionary抽象类


4)HashMap的初始容量为16,Hashtable初始容量为11,两者的填充因子默认都是0.75

HashMap扩容时是当前容量翻倍即:capacity*2,Hashtable扩容时是容量翻倍+1即:capacity*2+1


5)两者计算hash的方法不同

Hashtable计算hash是直接使用key的hashcode对table数组的长度直接进行取模

int hash = key.hashCode();

int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;


HashMap计算hash对key的hashcode进行了二次hash,以获得更好的散列值,然后对table数组长度取摸

static int hash(int h) {

// This function ensures that hashCodes that differ only by

// constant multiples at each bit position have a bounded

// number of collisions (approximately 8 at default load factor).

h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);

return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);

}


static int indexFor(int h, int length) {

return h & (length-1);

}

HashMapHashtable的底层实现都是数组+链表结构实现


HashSet和HashMap、Hashtable的区别

除开HashMap和Hashtable外,还有一个hash集合HashSet,有所区别的是HashSet不是key value结构,仅仅是存储不重复的元素,相当于简化版的HashMap,只是包含HashMap中的key而已。


通过查看源码也证实了这一点,HashSet内部就是使用HashMap实现,只不过HashSet里面的HashMap所有的value都是同一个Object而已,因此HashSet也是非线程安全的,至于HashSet和Hashtable的区别,HashSet就是个简化的HashMap的,所以你懂的。


下面是HashSet几个主要方法的实现

private transient HashMap<E,Object> map;

private static final Object PRESENT = new Object();


public HashSet() {

    map = new HashMap<E,Object>();

}

public boolean contains(Object o) {

    return map.containsKey(o);

}

public boolean add(E e) {

    return map.put(e, PRESENT)==null;

}

public boolean add(E e) {

    return map.put(e, PRESENT)==null;

}

public boolean remove(Object o) {

    return map.remove(o)==PRESENT;

}


public void clear() {

    map.clear();

}


HashMap和Hashtable的实现原理

HashMap和Hashtable的底层实现都是数组+链表结构实现的,这点上完全一致。


添加、删除、获取元素时都是先计算hash,根据hash和table.length计算index也就是table数组的下标,然后进行相应操作,下面以HashMap为例说明下它的简单实现

/**

 * HashMap的默认初始容量 必须为2的n次幂

 */

static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;


/**

 * HashMap的最大容量,可以认为是int的最大值    

 */

static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;


/**

 * 默认的加载因子

 */

static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;


/**

 * HashMap用来存储数据的数组

 */

transient Entry[] table;


HashMap的创建

HashMap默认初始化时会创建一个默认容量为16的Entry数组,默认加载因子为0.75,同时设置临界值为16*0.75


/**

 * Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the default initial capacity

 * (16) and the default load factor (0.75).

 */

public HashMap() {

this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;

threshold = (int)(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);

table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];

init();

}


put方法

HashMap会对null值key进行特殊处理,总是放到table[0]位置

put过程是先计算hash然后通过hash与table.length取摸计算index值,然后将key放到table[index]位置,当table[index]已存在其它元素时,会在table[index]位置形成一个链表,将新添加的元素放在table[index],原来的元素通过Entry的next进行链接,这样以链表形式解决hash冲突问题,当元素数量达到临界值(capactiy*factor)时,则进行扩容,是table数组长度变为table.length*2

public V put(K key, V value) {

if (key == null)

return putForNullKey(value); //处理null值

int hash = hash(key.hashCode());//计算hash

int i = indexFor(hash, table.length);//计算在数组中的存储位置

//遍历table[i]位置的链表,查找相同的key,若找到则使用新的value替换掉原来的oldValue并返回oldValue

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;

}

}

//若没有在table[i]位置找到相同的key,则添加key到table[i]位置,新的元素总是在table[i]位置的第一个元素,原来的元素后移

modCount++;

addEntry(hash, key, value, i);

return null;

}


void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {

//添加key到table[bucketIndex]位置,新的元素总是在table[bucketIndex]的第一个元素,原来的元素后移

Entry<K,V> e = table[bucketIndex];

table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);

//判断元素个数是否达到了临界值,若已达到临界值则扩容,table长度翻倍

if (size++ >= threshold)

resize(2 * table.length);

}


get方法

同样当key为null时会进行特殊处理,在table[0]的链表上查找key为null的元素

get的过程是先计算hash然后通过hash与table.length取摸计算index值,然后遍历table[index]上的链表,直到找到key,然后返回

public V get(Object key) {

if (key == null)

return getForNullKey();//处理null值

int hash = hash(key.hashCode());//计算hash

//在table[index]遍历查找key,若找到则返回value,找不到返回null

for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];

e != null;

e = e.next) {

Object k;

if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))

return e.value;

}

return null;

}


remove方法

remove方法和put get类似,计算hash,计算index,然后遍历查找,将找到的元素从table[index]链表移除

public V remove(Object key) {

Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);

return (e == null ? null : e.value);

}

final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {

int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());

int i = indexFor(hash, table.length);

Entry<K,V> prev = table[i];

Entry<K,V> e = prev;


while (e != null) {

Entry<K,V> next = e.next;

Object k;

if (e.hash == hash &&

((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {

modCount++;

size--;

if (prev == e)

table[i] = next;

else

prev.next = next;

e.recordRemoval(this);

return e;

}

prev = e;

e = next;

}


return e;

}


resize方法

resize方法在hashmap中并没有公开,这个方法实现了非常重要的hashmap扩容,具体过程为:先创建一个容量为table.length*2的新table,修改临界值,然后把table里面元素计算hash值并使用hash与table.length*2重新计算index放入到新的table里面。


这里需要注意下是用每个元素的hash全部重新计算index,而不是简单的把原table对应index位置元素简单的移动到新table对应位置

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);

table = newTable;

threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);

}


void transfer(Entry[] newTable) {

Entry[] src = table;

int newCapacity = newTable.length;

for (int j = 0; j < src.length; j++) {

Entry<K,V> e = src[j];

if (e != null) {

src[j] = null;        

do {

Entry<K,V> next = e.next;

//重新对每个元素计算index

int i = indexFor(e.hash, newCapacity);

e.next = newTable[i];

newTable[i] = e;

e = next;

} while (e != null);

}

}

}


clear()方法

clear方法非常简单,就是遍历table然后把每个位置置为null,同时修改元素个数为0,需要注意的是clear方法只会清楚里面的元素,并不会重置capactiy。

public void clear() {

modCount++;

Entry[] tab = table;

for (int i = 0; i < tab.length; i++)

tab[i] = null;

size = 0;

}


containsKey和containsValue

containsKey方法是先计算hash然后使用hash和table.length取摸得到index值,遍历table[index]元素查找是否包含key相同的值

public boolean containsKey(Object key) {

        return getEntry(key) != null;

    }

final Entry<K,V> getEntry(Object key) {

int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());

for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];

e != null;

e = e.next) {

Object k;

if (e.hash == hash &&

((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))

return e;

}

return null;

}


containsValue方法就比较粗暴了,就是直接遍历所有元素直到找到value,由此可见HashMapcontainsValue方法本质上和普通数组和list的contains方法没什么区别,你别指望它会像containsKey那么高效

public boolean containsValue(Object value) {

if (value == null)

return containsNullValue();


Entry[] tab = table;

for (int i = 0; i < tab.length ; i++)

for (Entry e = tab[i] ; e != null ; e = e.next)

if (value.equals(e.value))

return true;

return false;

}


hash和indexFor

indexFor中的h & (length-1)就相当于h%length,用于计算index也就是在table数组中的下标

hash方法是对hashcode进行二次散列,以获得更好的散列值


为了更好理解这里我们可以把这两个方法简化为 int index= key.hashCode()/table.length,以put中的方法为例可以这样替换

int hash = hash(key.hashCode());//计算hash

int i = indexFor(hash, table.length);//计算在数组中的存储位置

//上面这两行可以这样简化

int i = key.key.hashCode()%table.length;

 static int hash(int h) {

// This function ensures that hashCodes that differ only by

// constant multiples at each bit position have a bounded

// number of collisions (approximately 8 at default load factor).

h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);

return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);

}


static int indexFor(int h, int length) {

return h & (length-1);

}


出处:http://www.cnblogs.com/lzrabbit/p/3721067.html#h1


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