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一、HashMap簡介
HashMap 主要用來存放鍵值對，它基於哈希表的Map接口實現，是常用的Java集合之一。
JDK1.8 之前 HashMap 由 數組+鏈表 組成的，數組是 HashMap 的主體，鏈表則是主要爲了解決哈希衝突而存在的（“拉鍊法”解決衝突）.JDK1.8 以後在解決哈希衝突時有了較大的變化，當鏈表長度大於閾值（默認爲 8）時，將鏈表轉化爲紅黑樹，以減少搜索時間。
HashMap的鍵和值都可以爲 null，且HashMap不是線程安全的
二、底層數據結構分析
（1）存放元素的結構
HashMap的底層數據結構就是數組（hash桶），這個數組存放的數據結構類型爲：
// 繼承自 Map.Entry<K,V>
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash;// 哈希值，存放元素到hashmap中時用來與其他元素hash值比較
final K key;//鍵
V value;//值
// 指向下一個節點
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; }
// 重寫hashCode()方法
public final int hashCode() {
return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
}
public final V setValue(V newValue) {
V oldValue = value;
value = newValue;
return oldValue;
}
// 重寫 equals() 方法
public final boolean equals(Object o) {
if (o == this)
return true;
if (o instanceof Map.Entry) {
Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>)o;
if (Objects.equals(key, e.getKey()) &&
Objects.equals(value, e.getValue()))
return true;
}
return false;
}
}
（2）紅黑樹節點的數據類型定義爲：
static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {
TreeNode<K,V> parent; // 父
TreeNode<K,V> left; // 左
TreeNode<K,V> right; // 右
TreeNode<K,V> prev; // needed to unlink next upon deletion
boolean red; // 判斷顏色
TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
super(hash, key, val, next);
}
// 返回根節點
final TreeNode<K,V> root() {
for (TreeNode<K,V> r = this, p;;) {
if ((p = r.parent) == null)
return r;
r = p;
}
（3）HashMap類的一些屬性
public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {
// 序列號
private static final long serialVersionUID = 362498820763181265L;
// 默認的初始容量是16,總是2的冪次倍
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;
// 最大容量
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
// 默認的填充因子（負載因子）
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
// 當桶(bucket)上的結點數大於這個值時會轉成紅黑樹
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
// 當桶(bucket)上的結點數小於這個值時樹轉鏈表
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
// 桶中結構轉化爲紅黑樹對應的table的最小大小
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
// 存儲元素的數組，總是2的冪次倍
transient Node<k,v>[] table;
// 存放具體元素的集
transient Set<map.entry<k,v>> entrySet;
// 存放元素的個數，注意這個不等於數組的長度。
transient int size;
// 每次擴容和更改map結構的計數器
transient int modCount;
// 臨界值 當實際大小(容量*填充因子)超過臨界值時，會進行擴容
int threshold;
// 加載因子
final float loadFactor;
}
三、HashMap的構造方法
1. public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)
2. public HashMap(int initialCapacity)
3. public HashMap()
4. public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m)
構造方法源碼如下：
/**
* 指定“容量大小”和“加載因子”的構造函數
*
* @param initialCapacity 初始化容量
* @param loadFactor 負載因子
* @throws IllegalArgumentException if the initial capacity is negative
* or the load factor is nonpositive
*/
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
initialCapacity);
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
loadFactor);
this.loadFactor = loadFactor;
this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}
/**
* 指定“容量大小”的構造函數，負載因子默認爲0.75
*
* @param initialCapacity 初始化容量
* @throws IllegalArgumentException if the initial capacity is negative.
*/
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
/**
* 默認構造函數，初始容量爲16，負載因子爲0.75
*/
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}
/**
* 包含另一個“Map”的構造函數
*/
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
putMapEntries(m, false);
}
putMapEntries方法：
final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {
int s = m.size();
if (s > 0) {
// 判斷table是否已經初始化
if (table == null) { // pre-size
// 未初始化，s爲m的實際元素個數
float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F;
int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ?
(int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);
// 計算得到的t大於閾值，則初始化閾值
if (t > threshold)
threshold = tableSizeFor(t);
}
// 已初始化，並且m元素個數大於閾值，進行擴容處理
else if (s > threshold)
resize();
// 將m中的所有元素添加至HashMap中
for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet()) {
K key = e.getKey();
V value = e.getValue();
putVal(hash(key), key, value, false, evict);
}
}
}
四、HashMap的關鍵方法
(1)put方法
①如果定位到的數組位置沒有元素 就直接插入。
②如果定位到的數組位置有元素就和要插入的key比較，如果key相同就直接覆蓋，如果key不相同，就判斷p是否是一個樹節點，如果是就調用e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value)將元素添加進入。如果不是就遍歷鏈表插入(插入的是鏈表尾部)。
/**
* 提供給外部使用的put方法
**/
public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
/**
* 實際HashMap內部使用的方法
*
* @param hash hash值
* @param key key值
* @param value 存入元素value
* @param onlyIfAbsent 如果爲true，不改變原來存在的值
* @param evict if false, the table is in creation mode.
* @return 原來的值, 如果沒有值返回null
*/
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
// table未初始化或者長度爲0，進行擴容
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
// (n - 1) & hash 確定元素存放在哪個桶中，桶爲空，新生成結點放入桶中(此時，這個結點是放在數組中)
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
// 桶中已經存在元素
Node<K,V> e; K k;
// 比較桶中第一個元素(數組中的結點)的hash值相等，key相等
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
// 將第一個元素賦值給e，用e來記錄
e = p;
// hash值不相等，即key不相等，且爲紅黑樹結點
else if (p instanceof TreeNode)
// 放入樹中
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
// 爲鏈表結點
else {
// 在鏈表最末插入結點
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
// 到達鏈表的尾部
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null);
// 結點數量達到閾值，轉化爲紅黑樹
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
// 跳出循環
break;
}
// 判斷鏈表中結點的key值與插入的元素的key值是否相等
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
// 相等，跳出循環
break;
// 用於遍歷桶中的鏈表，與前面的e = p.next組合，可以遍歷鏈表
p = e;
}
}
// 表示在桶中找到key值、hash值與插入元素相等的結點
if (e != null) { // existing mapping for key
// 記錄e的value
V oldValue = e.value;
// onlyIfAbsent爲false或者舊值爲null
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
//用新值替換舊值
e.value = value;
// 訪問後回調
afterNodeAccess(e);
// 返回舊值
return oldValue;
}
}
// 結構性修改
++modCount;
// 實際大小大於閾值則擴容
if (++size > threshold)
resize();
// 插入後回調
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
這裏我們重點分析一下JDK1.8使用的hash函數，這個計算得到的hash值是hashCode的高16位和低16位異或的結果，放入hash桶的時候，取的是 (table.length - 1) & hash 得出數組的下標
這樣做有一個巧妙的好處，當擴容的時候，原數組中的元素，移動到新數組的位置，只能是原下標位置 或 原下標+原容量
static final int hash(Object key) {
int h;
//如果key爲null，hash值爲0，否則，爲key的hashCode ^ 它的hashCode右移16位
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
(2)get方法
public V get(Object key) {
Node<K,V> e;
return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}
final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
// 數組元素相等
if (first.hash == hash && // always check first node
((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return first;
// 桶中不止一個節點
if ((e = first.next) != null) {
// 在樹中get
if (first instanceof TreeNode)
return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
// 在鏈表中get
do {
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
return null;
}
(3)resize方法
進行擴容，會伴隨着一次重新hash分配，並且會遍歷hash表中所有的元素，是非常耗時的。在編寫程序中，要儘量避免resize。
容量擴充爲原來的兩倍，rehash結果只有兩種，一種是在原下標位置，另一種是在下標爲 **<原下標+原容量>**的位置
final Node<K,V>[] resize() {
Node<K,V>[] oldTab = table;
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
int oldThr = threshold;
int newCap, newThr = 0;
if (oldCap > 0) {
// 超過最大值就不再擴充了，就只好隨你碰撞去吧
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
// 沒超過最大值，就擴充爲原來的2倍
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 {
// signifies using defaults
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
// 計算新的resize上限
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;
if (oldTab != null) {
// 把每個bucket都移動到新的buckets中
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;
else if (e instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
else {
Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
Node<K,V> next;
do {
next = e.next;
// 原索引
if ((e.hash & oldCap) == 0) {
if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
}
// 原索引+oldCap
else {
if (hiTail == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
}
} while ((e = next) != null);
// 原索引放到bucket裏
if (loTail != null) {
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
// 原索引+oldCap放到bucket裏
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
return newTab;
}
(4)containsKey方法
這個方法其實調用的就是get方法
public boolean containsKey(Object key) {
return getNode(hash(key), key) != null;
}
(5)containsValue方法
遍歷這個hash表，查找是否包含value值，由於是遍歷整個hash表，耗時較大，不建議使用
public boolean containsValue(Object value) {
Node<K,V>[] tab; V v;
if ((tab = table) != null && size > 0) {
for (int i = 0; i < tab.length; ++i) {
for (Node<K,V> e = tab[i]; e != null; e = e.next) {
if ((v = e.value) == value ||
(value != null && value.equals(v)))
return true;
}
}
}
return false;
}
五、高頻HashMap面試題
-
HashMap的原理，內部數據結構？
- 底層使用Hash表（數組+鏈表+紅黑樹），當鏈表過長（>=8）會將鏈表轉成紅黑樹以實現O(logn)時間複雜度內查找
-
講一下HashMap中put方法過程？
i. 對Key求Hash值（hashCode的高16位異或低16位），然後計算 下標 ，計算的hash值 & (數組大小-1)
ii. 如果沒有碰撞，直接放入桶中
iii. 如果碰撞了，以鏈表的方式鏈接在後面
iv. 如果鏈表長度超過閥值(TREEIFY_THRESHOLD ==8),就把鏈表轉成紅黑樹
v. 如果節點已經存在就替換舊值
vi. 如果桶滿了(容量*負載因子),就需要resize -
HashMap中hash函數是如何實現的？
i. 高16bit不變，低16bit和高16bit做了一個異或
ii. (n-1) & hash —>得到下標 -
HashMap怎麼解決衝突，講一下擴容過程，加入一個值在原數組中，現在移動了新數組，位置肯定改變了，那是什麼定位到在這個新值數組中的位置？
- 將新節點加到鏈表後
- 容量擴容爲原來的兩倍，然後對每個節點重新計算哈希值
- 這個值只可能在兩個地方：一個是原下標的位置，另一種是在下標爲 <原下標+原容量> 的位置
-
拋開HashMap，hash衝突有哪些解決辦法？
- 開放地址法，鏈地址法
-
針對HashMap中某個Entry鏈太長，查找的時間複雜度可能達到O(n)，怎麼優化
- 將鏈表轉爲紅黑樹，JDK1.8已經實現了，查找複雜度爲log(n)
注：本文參考JavaGuide項目文章，文章地址：
- 將鏈表轉爲紅黑樹，JDK1.8已經實現了，查找複雜度爲log(n)