一个HashMap能跟面试官扯上半个小时
前言
HashMap应该算是Java后端工程师面试的必问题，因为其中的知识点太多，很适合用来考察面试者的Java基础。
开场
面试官: 你先自我介绍一下吧！
安琪拉:J C , l W $ ? 我是安琪拉，草丛三婊之一，最强中单（钟馗不服）！哦，不对，串场了，D Y 4我是**，目前在--公司D a ) 6做--系统开发。
面试官: 看你简历上写熟悉Java集合，HashMap用过的吧？
安琪拉: 用过的。(还是熟悉的味道)
面试官: 那你跟我讲讲HasI , } R 9hMap的A ] f U 3 Q J内部数据结构？
安琪拉: 目前我用的是JDK1.~ G { z Q E $ m8版本的，内部使用数组 + 链表红黑树V o ( @ - _；
安琪拉: 方便我给您画个数据结构图吧：
面试官: 那你清楚HashMap的数据插入原理7 w a w 4吗？
安琪拉: 呃。我觉得还是应该画个图比9 J ] G i较清楚，如下：
- 判断数组是否为空，为空进行初始化;
- 不为空，计算 k 的 hash 值X , _ P ~ a |，通1 f M (过(n - 1) & hash计算应当存放在数组中的下标 index;
- 查看 table 是否存在数据，没有数+ 3 = o )据就构造一个x n L e c } ; hNode节点存放在 table 中；
- 存在数据，说明发生了hash冲突(存在二个节点k* N t c $ p t dey的hash值一样), 继续判断key是否相等，相等，用新的vaq R V Ulue替换原数据(onlyIfAbsent为false)；
- 如果不相等，判断当前节点类型是不是树型节点，如果是树型v Y [ 9 G e .节点，创造树型节点插入红黑树中；
- 如果不是树型节点，创建普通Node加入链表0 h [ q Q @中；判断链表长度是否大于 8， 大于的话链表转换为红黑树；
- 插l P 1 | U & d ?入完成之后判| u c X D 1 @ x #断当前节点数是否大于阈值，如果大于开始扩容为原数组的F U b s & ( u Y二倍。
面试官: 刚才你提到HashMap的初始化，那HashMA N 1 ~ ) @ap怎么设定初始容量大小的吗？
安琪拉: 一般如果new HashMap() 不传值，默认大小是16，负载因子是0.75， 如果自己传入初始大小k，初始化大小为 大于k的 2的整数次方，例如如果传10，大小为1, : a6。（补充说明:实现代码如下）
static final int tableSizeFor(int cap) {
int n = cap - 1;
n |= n >>> 1;
n |= n >>> 2;
n |= n >O S d {;>> 4;
n |= n >>> 8;
n |= n >>> 16;
return (n < 0) ? 1 : (F h in >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPAx C 2 } ^ 3 YCITY : n + 1;
}
复制代码补充说明：下图是详细过程，算法就是让初始二进制右移1，2，4，8，16位，分别与自己异或，把高位第一个为1的数通过不断右移，把高位为1的后面全变为1，111111 + 1 = 1000000 = （符合大于50并且是2的整数次幂 ）
面试官: 你提到hash函数，你知道HashMap的哈希函数怎么设计r Y k o . 5 } ~的吗？
安琪拉: hash函数是先拿到通过key 的hashcode，是32位的int值，然后让hashcode的高16位和低16位进行异或操作。
面试官: 那你知道为什么这么设计吗？
安琪拉: ，这个也叫扰动函数，这么设计有二点原因：
- 一定要尽可能降低hash碰撞，越分散越好；
- 算法一定要尽可能高效，因为这是高频操作, 因G B w p | @ 2此采用位运算；
面试官: 为什么采用hashcode的高16位和低16位异或能降低hash碰撞？hash函数能不能0 / M t直接用key的hashco_ E : Cde？
, 安琪拉差点原地了，恨不得出biubiubiu 二一三连招。
安琪拉:1 D A + W y x 因为key.v I Z R V d c n {haP s S W p J PshCode()函数调用的是key键值类型自带的哈希函数，返回int型散列? / D m q C F Y值。int值范围为**-2147483648~s 0 4 b I +2147483647**，前后加起来大概40亿的映射空间。只要哈希函数映射得比较均匀松散，一般应用4 H ( ) Y :是L , t很难出现碰撞的。但问题是一个40亿长度的数组，内存是放不下的。你想，如A r : ^果HashM2 y 4ar v 3p数组的初始大小7 I Q o O A才16，用之前需要对数组的长度取模运算，得到的余数才能用来访问数组下标。(来自知乎-胖君)
源码中模运算就是把散列值和数组长度-1做一个\"与\"操作，位运算比H F a 2 y : M I%运算要快。
bucketIndex = indexFoo # R 4 Yr(h1 ! Ya^ ] Dsh, table.length);
static int indexFor(int h,V / r int length) {
return h &? / J ^ (length-1);
}
复制代码顺便说一@ C s + c -下，这也正好解释了为什么HashMap的数组长度要取2的整数幂。因为这样（数组长度-1）正好相当于一个“低位掩码”。“与”操作的结果就是散列值的高位全部归零，只保留低位值，用来做数G B @组下标访问。以初始长度1H | Z m6为例，16-1=15。2进制表示是00000000 00000000 00001111。和某散m v p d 9 c L b列值做“与”操作如下，结果就是截取了最低的四位值N ; . v 8 a V。
10100101 11000100 00100101
& 00000000 00000000 00001111
----------------| N E------------------
00000000 00000000 00000101 //高位全部归零，只保留末四位
复制代码但这时候问题就来r . ) 5了，这样就算我的散列值分布再松散，要是只取最后几位的话，碰撞也会很严重。更要命/ c o o o ) y , A的是如果散列本身做得不好，分布上成等A + N ?它们做低位掩码，取数组下标。
结果显示，当HashMap数组长度为512的时候（2的9次方），也就是用掩码取低9位的时候，在没有扰动} , b ? f函数的情况下，发生了103次碰撞，接近30%Q - ! 9 ) d d R c。而在使用了扰动函数之后只有92次碰撞。碰撞减少C H a了将近10%。看来扰动函数确实还是有功效7 ( y ; k的。
另外Java1.8相比1.} @ p X s j7做了调整，1.7做了四次移位和四次异或，但明显0 f QJava 8觉得扰动做一次就够了，做4次的话，多了可能边际效用也不大，所谓为了效率考虑就改成一次? u G s S % s =了。
下面是1.7的hash代码：
static int hash(int h) {
h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
return h ^ (hD - W 0 C >>> 7) ^ (h >>> 4);
}
复制代码面试官: 看来做过功课，有点料啊！是不是偷偷看了安琪拉的博客, 你刚刚说到1.2 q - h y U C k8对hash函数做了优化，1.8还有别的优化吗？
安琪拉: 1.8还有三点主要的优化：
- 数组+链表改成了数组+链表或红黑树；
- 链表的插入方式从头插法改@ q ` k n 6 Q , j成了尾插法，简单说就是插入时，如果数组位置上已经有元素，1.7将新元素放到数组中，原始节点作为新节点的后继节点，1.8遍历链表，将元G Y J Y素放置到p S b链表的最后；
- 扩容的时候1.7需要对原数4 b $组中的元素进行重新hash定位在新数组的位置，1.8采用更简单的判断逻辑，n - X # ] = = j位置不变或索引+旧容量大小；
- 在插入时，1.7先判断是否需要扩容，再插入，1.8先进行插入，插入完成再判断是否h M c K H需要扩容；
面试官: 你分别跟我讲讲为什么6 w = 5要做这几点优9 I C K化；
安琪[ 2 9 3 a $ J E拉: 【咳咳，果然是连环炮】
- 防止发生hash冲突，链表长度过长，将时间复杂度由O(n)降为O(logn);
- 因为1.7头插法扩容时，头插法会使链表发生反转，多线程环境下会产生环； A线程在插入节点B，B线程也在插入，遇到容量H q P z u l ! ^ x不够开始扩容，重新hash，放置元素，采用头插法，后遍历到的B节点放入了头部，这样形成了环，如下图所示： 1.7的扩容调用transfer代码，如下所示： void transfer(Entry newTableE { = $, boolean rehash) { int newCapacity = newTable.length; for (; + B B z ; 5Entry<K,V> e : table) { while(n0 A V 0 K ` w } Aull != e) { Entry<K,V> next = e.next; if (rehash) { e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key); } int i = i_ } X i +ndexFor(y B f h we.hash, newCapacit d oy); e.next = newTable; //A线程如果执行到这一行挂起，B线程开始进行扩容 newTable = e; e = next; } } } 复制代码
- 扩容的时候为什么1.8 不用重新` 0 = + q 3 C 5hash就可以直接定位原节点在新数据的位置呢? 这是由于扩容是扩大为原数组大小的2倍V 6 S & e ~，用于计算数组位置的掩码r ? &仅仅只Y F 1是高位多了一个1，怎么理解呢？ 扩容前长度9 X 4 z T O为16，用于3 Q ) % u计算(n-1) & hash 的| Y 0 I Y } y U *二进制n-1为0000 1111，扩容为32后的二进制就高位多c u W t F p L V |了1，为0001 1111。 因为是&! s f 4 # V 1amf V g y bp; 运算，1和任何数 & 都是它本身，那就分二种情况，如下图：原数据hashcode高位第4位为0和高位为1的情况； 第四位高位为0，重新hash数值A a ` ? M不变，第四位为1，重新hash数值比原来大1[ u _6（旧数组的容量）
面试官: 那HashMap是线程安全的吗？
安琪拉R n W ): 不是，在多线程环境下，1.7 会产生死循环、数据丢失、数据覆盖的问题，1.8 中会有数据覆盖的问题，以1.8为例，当A线程判断index位置为空后正好挂起，B线程开始往index} h M B位置的写入节点数据，这时A线程恢复现场，执行赋值操作8 y O，就把A线程的数据给覆盖了；还有++size这个V { [ , ( C K地方也会造成多线程同时扩容等问题。
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean eC - ovict) {
Node<K,V> tab; Node<K,V> p; int n, i;* * 0 r S G i |
if ((tab = table) == null* A @ || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
if ((p = tab[i = (n - 1) &# L , h # % ) == null) //多线程执行到这里
tab = 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;
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p` O O ! % {).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
for (int binCount = 0; ; ++binCount)D K s ( B @ R 7 {
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value,L Q 4 . { m null);
if (binCount >= TREEIF( L ] { bY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
br( E X ^ T g | Teak;
}
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key ||6 T g i @ s F (keyV A ` != null && key.equals(k))))
break;
p = e;s G * l L _ ; /
}
}1 0 l ~ h 5 E E j
iZ ! , ? m ] A 3f (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!on( a ! 0 alyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
++modCount;
if (++s7 I hi^ d o V c 4ze > threshold) // 多个线程走到这，可能重复resize()
resim * | f Rze();
afterNodeInsertion(evictI V ] j);
return null;
}
复制代码面试官: 那你平常怎么 # K w ( ~ q /解决这个线程不安全的问题？
安琪拉: Java中有HashTable、Colleco c wtions.synchronizedMap、以及ConcurrentHashMap可以实现线程安全的Map。
HashTw / 6 W i ? _ N Oable是直接在_ 7 b r Z W Z ? 0操作方法上加synchronized关键字，锁住整个数组，粒度比较大，Collections.synchrona Q d ` # tizedMap是使用Collections集合工具的内部类，通过传入Map封装出一个SynchronizedMap对象，内部定义了一个对象锁，方法内通过对象锁实现；ConcurrentHashMap使用分段锁，降低了锁粒度，让并发度大大7 / l { S提高。
面试官: 那你知道O 4 O Y ) .ConcurrentHashMap的分段锁l z 4 i n 4 ~ 1的实现原理吗？
安琪拉: 【天啦* Q ; o l 8 r % 撸! 俄罗斯套娃，! - t ^ J $ % K 一个套一个】ConcurB x U g - g F V PrentHashMap成员变量使用volatile 修饰，免除了指令重排序，同时保证内存可+ d #见性，另外使用CAS操作和synchronized结合G h Y g (实现赋值操作，多线程操作只会锁住当前操作索引的节点。
如下图，线程A锁住A节点所在链# W D Y }表，线程B锁住B节点所在链表，操作互不干涉。
面试官: 你前面提到链表转红黑树是链表长度达到阈值，这个阈值是多少？
安琪拉: 阈值是8，红黑{ l Y s树转链表w L M 4 8 1 ]阈值为6V I L
面试官:N ] l Q # 9 W C B 为什么是8，不是16，32甚至是7 ？又为什么红黑J r ` 0 x N o树转链表的阈值N e 1是6，不是8了呢？B # / K f p t f K
安琪拉: 【y j $ i % ; %你去问作者啊！天啦撸，biubiubiu~ M l % M 真想213连招】因B ? 4 u E 3为作者就这么设计的，哦，不对，因为经过计算，在hash函数设计合理的情况下，发生hash碰撞8次的几率为百t 5 / W 7 :万分之6，_ a d 2 c概率说话。。因为8够用了，至于为什么转回来是6，因为如果hash碰撞次数在8附近徘, 0 k - u b 5 x徊，会一直发生链表和红黑树的转化，为了预防这种情况的发生。
面试官: HashMap内部节点是有序的吗？
安琪拉: 是无序的，根据hash值t q / q = j随机插入
面试官: 那有没有有序的Map？
安琪拉: LiM s = W hnkedHashMap 和 TreeMap
面试官: 跟我讲讲LinkedHash2 { D k w q T - XMap怎么实现有序的？
安琪拉: LinkedHashMap内部维护了一个单链表，有头尾节点，同时LinkedHashMap节点Entry内部除了继承HashMap的Node属性，还有before 和 after用于标识前置节点和后置节点。可以实现按插入的顺序或访问顺序排序。
/**
* The head (eldest) of the doubly linked ls z j Aist.
*/
transien| v 6t LP , 7 ` S / 4 L xinkedHashMap.Entry<K,V2 @ o _ t> head;
/**
* The tail (youngest) of the doubly linkedb m _ list.
*/
transient LinkedHashMap.Entry&ld ! @ 3 G _ Lt;K,V> tail;
//链接新Q ` & 2 O = 3加入的p节点到链表后端
private void linkNodeLast(Lm ; F |inkedHashMap.Entryy x t X<K,V> p) {
LinkedHashMap.Entry<K,V> last = tail;
tail = p;
if (last == null)
head = p;
el, w # Mse {
p.beforeC s V H t r = last;
last.after = p;
}
}
//LinkedHashMap的节点类
static clas{ ` v s ]s Entry<K,V> extends HashMap.Node<K,V> {
Entry<K,V> before, after;
Entry(int hash, K key,# J ; s 0 n Vl J 2 Z R 3 Q P value, Node<K,V> next) {
super(hash, key, value, next);
}
}
复制代Q B , t } n f码示例代码：
public static void main(String args) {
Map<String, String> map = new LinkedHashMap<String, String>();
map.pur j H E 9 ` =t(\"1\", \"安琪拉\");
map.put(r | X O Q\"2\", \"的\");
map.put(\"3\", \"博p : k S , z ?客\");
for(Map.Entry<String,String> item: map.enI O @ TtrySes P ^ 4 G H I H +t()){
System.out.println(item.getKe| R % 2y() + \":\x p v @ b" + item.getVN u C { V 8alue());
}
}
//console输出
1:安琪拉
2:的
3:博客
复制代码面试官: 跟我讲讲TreeMap怎么实现) r n有序的？
安琪拉：Tre: 2 h o % J ^eMap是按照Key的自然顺序或者Comprator的顺序进行排序，内部是通过红黑树来实现。所以要么key所属的类实现Comparable接口，或者自定义一个实现了Comparator接口的比较器，传给TreeMap用户key的比较。
面试官: 前面提到通过CAS 和 synchronized结合实现锁D @ H粒度的降低，你能给我讲讲CAS 的实现以及synchronized的实现原理吗？
安琪拉: 下一期咋们再约时间，OK？
面试官: 好吧，回去等通知吧！
作者：安琪拉的博客
链接：https:! y 8 a % x F//juejin.im/post/5e6e0acC $ E q p9e51d4526` a 7 W ^ r K B ofb5df679