面試必問之HashMap

問題1 hashmap原理？

問題1.1 hashmap底層數據結構是什麼

哈希表結構（鏈表散列：數組+鏈表）實現，結合數組和鏈表的優點。當鏈表長度超過 8 時，鏈表轉換爲紅黑樹。

問題1.2 jdk1.8爲啥要將鏈表轉爲紅黑樹呢？

鏈表的用的是線性檢索，時間複雜度是O(n)，而紅黑樹的檢索方式是二分查找，平均時間複雜度是O(logn)，當達到一定閾值後，二分查找是由於先行檢索的

問題1.3 什麼情況下會將鏈表轉爲紅黑樹

當來鏈表長度達到8時會轉爲紅黑樹，當桶中鏈表元素個數小於等於6時，樹結構還原成鏈表。因爲紅黑樹的平均查找長度是log(n)，長度爲8的時候，平均查找長度爲3，如果繼續使用鏈表，平均查找長度爲8/2=4，這纔有轉換爲樹的必要。鏈表長度如果是小於等於6，6/2=3，雖然速度也很快的，但是轉化爲樹結構和生成樹的時間並不會太短。

還有選擇6和8，中間有個差值7可以有效防止鏈表和樹頻繁轉換。假設一下，如果設計成鏈表個數超過8則鏈表轉換成樹結構，鏈表個數小於8則樹結構轉換成鏈表，如果一個HashMap不停的插入、刪除元素，鏈表個數在8左右徘徊，就會頻繁的發生樹轉鏈表、鏈表轉樹，效率會很低。

問題1.4 能說一下什麼是紅黑樹嗎？

紅黑樹是一種特定類型的二叉樹，它是在計算機科學中用來組織數據比如數字的塊的一種結構。若一棵二叉查找樹是紅黑樹，則它的任一子樹必爲紅黑樹.
紅黑樹是一種平衡二叉查找樹的變體，它的左右子樹高差有可能大於 1，所以紅黑樹不是嚴格意義上的平衡二叉樹（AVL），但 對之進行平衡的代價較低， 其平均統計性能要強於 AVL 。
紅黑樹有5個原則：

• 每個節點是紅色或者黑色的
• 根節點必須是黑色的
• 每個葉子節點都是黑色的空節點（NIL節點），即葉子節點不存儲數據
• 紅色節點的兩個子節點必須都是黑色的（即路徑中不能存在兩個連續的紅色節點）
• 從任一節點到其每個葉子的所有路徑都包含相同數目的黑色節點。

定義了兩個屬性：節點的 黑深 以及 樹的 黑高。
根據維基百科的定義，
節點的黑深指 從根節點到該節點的任意路徑中黑色節點的數量。
樹的黑高指 從根節點到葉子節點的任意路徑上的黑色節點數量。
紅黑樹通過3種操作來維持自身的平衡（插入或刪除節點後） —變色，左旋，右旋

問題1.5 還有其他集合的數據結構是紅黑樹嗎？

treemap、hashset

問題1.6 紅黑樹能替換爲二叉查找樹嗎？

不能，因爲在特定條件下二叉樹可能會退化爲線性結構

問題2 hashmap在什麼條件下擴容

• HashMap在什麼條件下擴容?
• 爲什麼擴容是2的n次冪?
• 爲什麼要先高16位異或低16位再取模運算?

問題2.1 HashMap在什麼條件下擴容?

如果bucket滿了(超過load factor*current capacity)，就要resize。
load factor爲0.75，爲了最大程度避免哈希衝突
current capacity爲當前數組大小。

問題2.2 爲什麼擴容是2的n次冪?

HashMap爲了存取高效，要儘量較少碰撞，就是要儘量把數據分配均勻，每個鏈表長度大致相同，這個實現就在把數據存到哪個鏈表中的算法
這個算法實際就是取模，hash%length。 但是，大家都知道這種運算不如位移運算快。
因此，源碼中做了優化hash&(length-1)。 也就是說hash%length==hash&(length-1)

問題2.3 爲什麼要先高16位異或低16位再取模運算?

來看一下jdk1.8裏的hash方法源碼。1.7的比較複雜，就不看了。

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

hashmap這麼做，是爲了降低hash衝突的機率。

問題3 講一講hashmap的get/put的過程

hashmap put過程：
對key的hashCode()做hash運算，計算index; 如果沒碰撞直接放到bucket裏； 如果碰撞了，以鏈表的形式存在buckets後； 如果碰撞導致鏈表過長(大於等於TREEIFY_THRESHOLD)，就把鏈表轉換成紅黑樹(JDK1.8中的改動)； 如果節點已經存在就替換old value(保證key的唯一性) 如果bucket滿了(超過load factor*current capacity)，就要resize。

hashmap get過程：
對key的hashCode()做hash運算，計算index; 如果在bucket裏的第一個節點裏直接命中，則直接返回； 如果有衝突，則通過key.equals(k)去查找對應的Entry;
• 若爲樹，則在樹中通過key.equals(k)查找，O(logn)；
• 若爲鏈表，則在鏈表中通過key.equals(k)查找，O(n)。

問題4 HashMap併發問題

問題4.1 HashMap 和 HashTable 有什麼區別？

①、HashMap 是線程不安全的，HashTable 是線程安全的；
②、由於線程安全，所以 HashTable 的效率比不上 HashMap；
③、HashMap最多隻允許一條記錄的鍵爲null，允許多條記錄的值爲null，而 HashTable 不允許；
④、HashMap 默認初始化數組的大小爲16，HashTable 爲 11，前者擴容時，擴大兩倍，後者擴大兩倍+1；
⑤、HashMap 需要重新計算 hash 值，而 HashTable 直接使用對象的 hashCode

問題4.2 HashMap在併發過程中可能遇到什麼問題

• 多線程put的時候可能導致元素丟失
• put非null元素後get出來的卻是null
• 多線程put後可能導致get死循環

問題4.3 怎麼得到線程安全的HashMap

一般情況下可以使用下面三種集合來替換hashMap，性能最好是ConcurrentHashMap

• HashTable (直接new)
• SynchronizedMap （Collections.synchronizedMap(new HashMap)）
• ConcurrentHashMap （直接new）

以上的三個都能在併發情況下正常工作，性能不同主要是體現在鎖粒度方面
這三個都使用了synchrnized 關鍵字。
其中HashTable、SynchronizedMap 是直接鎖住當前對象，不管是get、put都需要排隊。
而ConcurrentHashMap
JDK 1.7 中使用分段鎖（ReentrantLock + Segment + HashEntry），相當於把一個 HashMap 分成多個段，每段分配一把鎖，這樣支持多線程訪問。鎖粒度：基於 Segment，包含多個 HashEntry。
JDK 1.8 中使用 CAS + synchronized + Node + 紅黑樹。鎖粒度：Node（首結點）（實現 Map.Entry<K,V>）。鎖粒度降低了。