java面试之Hashmap
在java面试中hashMap应该说一个必考的题目,而且HashMap 和 HashSet 是 Java Collection Framework 的两个重要成员,其中 HashMap 是 Map 接口的常用实现类,HashSet 是 Set 接口的常用实现类。虽然 HashMap 和 HashSet 实现的接口规范不同,但它们底层的 Hash 存储机制完全一样,甚至 HashSet 本身就采用 HashMap 来实现的。
通过 HashMap、HashSet 的源代码分析其 Hash 存储机制
实际上,HashSet 和 HashMap 之间有很多相似之处,对于 HashSet 而言,系统采用 Hash 算法决定集合元素的存储位置,这样可以保证能快速存、取集合元素;对于 HashMap 而言,系统 key-value 当成一个整体进行处理,系统总是根据 Hash 算法来计算 key-value 的存储位置,这样可以保证能快速存、取 Map 的 key-value 对。
在介绍集合存储之前需要指出一点:虽然集合号称存储的是 Java 对象,但实际上并不会真正将 Java 对象放入 Set 集合中,只是在 Set 集合中保留这些对象的引用而言。也就是说:Java 集合实际上是多个引用变量所组成的集合,这些引用变量指向实际的 Java 对象。
集合和引用
就像引用类型的数组一样,当我们把 Java 对象放入数组之时,并不是真正的把 Java 对象放入数组中,只是把对象的引用放入数组中,每个数组元素都是一个引用变量。
HashMap 的存储实现
当程序试图将多个 key-value 放入 HashMap 中时,以如下代码片段为例:
HashMap<String , Double> map = new HashMap<String , Double>(); map.put("语文" , 80.0);
map.put("数学" , 89.0);
map.put("英语" , 78.2);
HashMap 采用一种所谓的“Hash 算法”来决定每个元素的存储位置。
当程序执行 map.put("语文" , 80.0); 时,系统将调用"语文"的 hashCode() 方法得到其 hashCode 值——每个 Java 对象都有 hashCode() 方法,都可通过该方法获得它的 hashCode 值。得到这个对象的 hashCode 值之后,系统会根据该 hashCode 值来决定该元素的存储位置。
我们可以看 HashMap 类的 put(K key , V value) 方法的源代码:
public V put(K key, V value) {
// 如果 key 为 null,调用 putForNullKey 方法进行处理
if (key == null)
return putForNullKey(value);
// 根据 key 的keyCode 计算 Hash 值
int hash = hash(key.hashCode());
// 搜索指定 hash 值在对应 table 中的索引
int i = indexFor(hash, table.length);
// 如果 i 索引处的 Entry 不为 null,通过循环不断遍历 e 元素的下一个元素
for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
Object k;
// 找到指定 key 与需要放入的 key 相等(hash 值相同 // 通过 equals 比较放回 true)
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))
{
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
// 如果 i 索引处的 Entry 为 null,表明此处还没有 Entry
modCount++;
// 将 key、value 添加到 i 索引处
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}
上面程序中用到了一个重要的内部接口:Map.Entry,每个 Map.Entry 其实就是一个 key-value 对。从上面程序中可以看出:当系统决定存储 HashMap 中的 key-value 对时,完全没有考虑 Entry 中的 value,仅仅只是根据 key 来计算并决定每个 Entry 的存储位置。这也说明了前面的结论:我们完全可以把 Map 集合中的 value 当成 key 的附属,当系统决定了 key 的存储位置之后,value 随之保存在那里即可。
上面方法提供了一个根据 hashCode() 返回值来计算 Hash 码的方法:hash(),这个方法是一个纯粹的数学计算,其方法如下:
static int hash(int h) {
h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}
对于任意给定的对象,只要它的 hashCode() 返回值相同,那么程序调用 hash(int h) 方法所计算得到的 Hash 码值总是相同的。接下来程序会调用 indexFor(int h, int length) 方法来计算该对象应该保存在 table 数组的哪个索引处。indexFor(int h, int length) 方法的代码如下:
static int indexFor(int h, int length) {
return h & (length-1);
}
这个方法非常巧妙,它总是通过 h &(table.length -1) 来得到该对象的保存位置——而 HashMap 底层数组的长度总是 2 的 n 次方,这一点可参看后面关于 HashMap 构造器的介绍。
当 length 总是 2 的倍数时,h & (length-1) 将是一个非常巧妙的设计:假设 h=5,length=16, 那么 h & length - 1 将得到 5;如果 h=6,length=16, 那么 h & length - 1 将得到 6 ……如果 h=15,length=16, 那么 h & length - 1 将得到 15;但是当 h=16 时 , length=16 时,那么 h & length - 1 将得到 0 了;当 h=17 时 , length=16 时,那么 h & length - 1 将得到 1 了……这样保证计算得到的索引值总是位于 table 数组的索引之内。
根据上面 put 方法的源代码可以看出,当程序试图将一个 key-value 对放入 HashMap 中时,程序首先根据该 key 的 hashCode() 返回值决定该 Entry 的存储位置:如果两个 Entry 的 key 的 hashCode() 返回值相同,那它们的存储位置相同。如果这两个 Entry 的 key 通过 equals 比较返回 true,新添加 Entry 的 value 将覆盖集合中原有 Entry 的 value,但 key 不会覆盖。如果这两个 Entry 的 key 通过 equals 比较返回 false,新添加的 Entry 将与集合中原有 Entry 形成 Entry 链,而且新添加的 Entry 位于 Entry 链的头部——具体说明继续看 addEntry() 方法的说明。
当向 HashMap 中添加 key-value 对,由其 key 的 hashCode() 返回值决定该 key-value 对(就是 Entry 对象)的存储位置。当两个 Entry 对象的 key 的 hashCode() 返回值相同时,将由 key 通过 eqauls() 比较值决定是采用覆盖行为(返回 true),还是产生 Entry 链(返回 false)。
上面程序中还调用了 addEntry(hash, key, value, i); 代码,其中 addEntry 是 HashMap 提供的一个包访问权限的方法,该方法仅用于添加一个 key-value 对。下面是该方法的代码:
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
// 获取指定 bucketIndex 索引处的
Entry Entry<K,V> e = table[bucketIndex]; // ①
// 将新创建的 Entry 放入 bucketIndex 索引处,并让新的 Entry 指向原来的
Entry table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
// 如果 Map 中的 key-value 对的数量超过了极限
if (size++ >= threshold)
// 把 table 对象的长度扩充到 2 倍。
resize(2 * table.length); // ②
}
上面方法的代码很简单,但其中包含了一个非常优雅的设计:系统总是将新添加的 Entry 对象放入 table 数组的 bucketIndex 索引处——如果 bucketIndex 索引处已经有了一个 Entry 对象,那新添加的 Entry 对象指向原有的 Entry 对象(产生一个 Entry 链),如果 bucketIndex 索引处没有 Entry 对象,也就是上面程序①号代码的 e 变量是 null,也就是新放入的 Entry 对象指向 null,也就是没有产生 Entry 链。
JDK 源码
在 JDK 安装目录下可以找到一个 src.zip 压缩文件,该文件里包含了 Java 基础类库的所有源文件。只要读者有学习兴趣,随时可以打开这份压缩文件来阅读 Java 类库的源代码,这对提高读者的编程能力是非常有帮助的。需要指出的是:src.zip 中包含的源代码并没有包含像上文中的中文注释,这些注释是笔者自己添加进去的。
Hash 算法的性能选项
根据上面代码可以看出,在同一个 bucket 存储 Entry 链的情况下,新放入的 Entry 总是位于 bucket 中,而最早放入该 bucket 中的 Entry 则位于这个 Entry 链的最末端。
上面程序中还有这样两个变量:
* size:该变量保存了该 HashMap 中所包含的 key-value 对的数量。
* threshold:该变量包含了 HashMap 能容纳的 key-value 对的极限,它的值等于 HashMap 的容量乘以负载因子(load factor)。
从上面程序中②号代码可以看出,当 size++ >= threshold 时,HashMap 会自动调用 resize 方法扩充 HashMap 的容量。每扩充一次,HashMap 的容量就增大一倍。
上面程序中使用的 table 其实就是一个普通数组,每个数组都有一个固定的长度,这个数组的长度就是 HashMap 的容量。HashMap 包含如下几个构造器:
* HashMap():构建一个初始容量为 16,负载因子为 0.75 的 HashMap。
* HashMap(int initialCapacity):构建一个初始容量为 initialCapacity,负载因子为 0.75 的 HashMap。
* HashMap(int initialCapacity, float loadFactor):以指定初始容量、指定的负载因子创建一个 HashMap。
当创建一个 HashMap 时,系统会自动创建一个 table 数组来保存 HashMap 中的 Entry,下面是 HashMap 中一个构造器的代码:
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
// 初始容量不能为负数
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException( "Illegal initial capacity: " + initialCapacity);
// 如果初始容量大于最大容量,让出示容量
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
// 负载因子必须大于 0 的数值
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException( loadFactor);
// 计算出大于 initialCapacity 的最小的 2 的 n 次方值。
int capacity = 1;
while (capacity < initialCapacity)
capacity <<= 1;
this.loadFactor = loadFactor;
// 设置容量极限等于容量 * 负载因子
threshold = (int)(capacity * loadFactor);
// 初始化 table 数组
table = new Entry[capacity]; // ①
init();
}
上面代码中粗体字代码包含了一个简洁的代码实现:找出大于 initialCapacity 的、最小的 2 的 n 次方值,并将其作为 HashMap 的实际容量(由 capacity 变量保存)。例如给定 initialCapacity 为 10,那么该 HashMap 的实际容量就是 16。
程序①号代码处可以看到:table 的实质就是一个数组,一个长度为 capacity 的数组。
对于 HashMap 及其子类而言,它们采用 Hash 算法来决定集合中元素的存储位置。当系统开始初始化 HashMap 时,系统会创建一个长度为 capacity 的 Entry 数组,这个数组里可以存储元素的位置被称为“桶(bucket)”,每个 bucket 都有其指定索引,系统可以根据其索引快速访问该 bucket 里存储的元素。
HashMap 的读取实现
当 HashMap 的每个 bucket 里存储的 Entry 只是单个 Entry ——也就是没有通过指针产生 Entry 链时,此时的 HashMap 具有最好的性能:当程序通过 key 取出对应 value 时,系统只要先计算出该 key 的 hashCode() 返回值,在根据该 hashCode 返回值找出该 key 在 table 数组中的索引,然后取出该索引处的 Entry,最后返回该 key 对应的 value 即可。看 HashMap 类的 get(K key) 方法代码:
public V get(Object key) {
// 如果 key 是 null,调用 getForNullKey 取出对应的 value
if (key == null)
return getForNullKey();
// 根据该 key 的 hashCode 值计算它的 hash 码
int hash = hash(key.hashCode());
// 直接取出 table 数组中指定索引处的值,
for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];
e != null;
// 搜索该 Entry 链的下一个
Entr e = e.next) // ①
{
Object k;
// 如果该 Entry 的 key 与被搜索 key 相同
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))
return e.value;
}
return null;
}
从上面代码中可以看出,如果 HashMap 的每个 bucket 里只有一个 Entry 时,HashMap 可以根据索引、快速地取出该 bucket 里的 Entry;在发生“Hash 冲突”的情况下,单个 bucket 里存储的不是一个 Entry,而是一个 Entry 链,系统只能必须按顺序遍历每个 Entry,直到找到想搜索的 Entry 为止——如果恰好要搜索的 Entry 位于该 Entry 链的最末端(该 Entry 是最早放入该 bucket 中),那系统必须循环到最后才能找到该元素。
归纳起来简单地说,HashMap 在底层将 key-value 当成一个整体进行处理,这个整体就是一个 Entry 对象。HashMap 底层采用一个 Entry[] 数组来保存所有的 key-value 对,当需要存储一个 Entry 对象时,会根据 Hash 算法来决定其存储位置;当需要取出一个 Entry 时,也会根据 Hash 算法找到其存储位置,直接取出该 Entry。由此可见:HashMap 之所以能快速存、取它所包含的 Entry,完全类似于现实生活中母亲从小教我们的:不同的东西要放在不同的位置,需要时才能快速找到它。
当创建 HashMap 时,有一个默认的负载因子(load factor),其默认值为 0.75,这是时间和空间成本上一种折衷:增大负载因子可以减少 Hash 表(就是那个 Entry 数组)所占用的内存空间,但会增加查询数据的时间开销,而查询是最频繁的的操作(HashMap 的 get() 与 put() 方法都要用到查询);减小负载因子会提高数据查询的性能,但会增加 Hash 表所占用的内存空间。
掌握了上面知识之后,我们可以在创建 HashMap 时根据实际需要适当地调整 load factor 的值;如果程序比较关心空间开销、内存比较紧张,可以适当地增加负载因子;如果程序比较关心时间开销,内存比较宽裕则可以适当的减少负载因子。通常情况下,程序员无需改变负载因子的值。
如果开始就知道 HashMap 会保存多个 key-value 对,可以在创建时就使用较大的初始化容量,如果 HashMap 中 Entry 的数量一直不会超过极限容量(capacity * load factor),HashMap 就无需调用 resize() 方法重新分配 table 数组,从而保证较好的性能。当然,开始就将初始容量设置太高可能会浪费空间(系统需要创建一个长度为 capacity 的 Entry 数组),因此创建 HashMap 时初始化容量设置也需要小心对待。
作者: DocMike
链接:http://www.imooc.com/article/19343
来源:慕课网
java面试之Hashmap的更多相关文章
- 深入解读大厂java面试必考基本功-HashMap集合
课程简介 HashMap集合在企业开发中是必用的集合同时也是面试官面试率很高的集合,因为HashMap里面涉及了很多的知识点,可以比较全面考察面试者的基本功,想要拿到一个好offer,这是一个迈不过的 ...
- Java面试必问之Hashmap底层实现原理(JDK1.7)
1. 前言 Hashmap可以说是Java面试必问的,一般的面试题会问: Hashmap有哪些特性? Hashmap底层实现原理(get\put\resize) Hashmap怎么解决hash冲突? ...
- Java面试基础概念总结
面向对象软件开发的优点有哪些? 答:开发模块化,更易维护和修改:代码之间可以复用:增强代码的可靠性.灵活性和可理解性. 多态的定义? 答:多态是编程语言给不同的底层数据类型做相同的接口展示的一种能力. ...
- 转:最近5年133个Java面试问题列表
最近5年133个Java面试问题列表 Java 面试随着时间的改变而改变.在过去的日子里,当你知道 String 和 StringBuilder 的区别就能让你直接进入第二轮面试,但是现在问题变得越来 ...
- java面试宝典(蓝桥学院)
Java面试宝典(蓝桥学院) 回答技巧 这套面试题主要目的是帮助那些还没有java软件开发实际工作经验,而正在努力寻找java软件开发工作的学生在笔试/面试时更好地赢得好的结果.由于这套试题涉及的范围 ...
- Java面试必备知识
JAVA面试必备知识 第一,谈谈final, finally, finalize的区别. 第二,Anonymous Inner Class (匿名内部类) 是否可以extends(继承)其它类,是否可 ...
- java面试和笔试大全 分类: 面试 2015-07-10 22:07 10人阅读 评论(0) 收藏
2.String是最基本的数据类型吗? 基本数据类型包括byte.int.char.long.float.double.boolean和short. java.lang.String类是final类型 ...
- 近5年133个Java面试问题列表
Java 面试随着时间的改变而改变.在过去的日子里,当你知道 String 和 StringBuilder 的区别就能让你直接进入第二轮面试,但是现在问题变得越来越高级,面试官问的问题也更深入. 在我 ...
- java 面试
115个Java面试题和答案——终极列表(上) 本文我们将要讨论Java面试中的各种不同类型的面试题,它们可以让雇主测试应聘者的Java和通用的面向对象编程的能力.下面的章节分为上下两篇,第一 ...
随机推荐
- c语言 创建链表
#include "malloc.h" #include "stdio.h" #define LEN sizeof(struct student) typede ...
- CNN详解
CNN详解 版权声明:本文为博主原创文章,转载请指明转载地址 http://www.cnblogs.com/fydeblog/p/7450413.html 前言 这篇博客主要就是卷积神经网络(CNN) ...
- HashMap和ConcurrentHashMap流程图
本文表达HashMap和ConcurrentHashMap中的put()方法的执行流程图,基于JDK1.8的源码执行过程. HashMap的put()方法: ConcurrentHashMap的put ...
- 第二篇--Jmeter测试Java请求
前提:需要准备eclipse作为开发工具,安装jdk,准备完毕,接下来开工喽! 1.新建Java工程BMIrisJNIJarTest,新建lib目录,将Jmeter安装目录下lib/ext包下的Apa ...
- wcf 上传文件报413,404和发布错误
上传文件错误: 其实要修改所有的服务,不管是服务端还是客户端,Binding那边增加一个没有设置名字的默认配置就OK了: <binding closeTimeout="00:10 ...
- JavaScript在应用中的技巧(一)
分享一些在JavaScript中遇到的一些实用的技巧. 理解JavaScript的数值型数据类型 JavaScript的数值型数据类型只有一种:number.即不管是整数还是浮点数,JavaScrip ...
- Python闭包及其作用域
Python闭包及其作用域 关于Python作用域的知识在python作用域有相应的笔记,这个笔记是关于Python闭包及其作用域的详细的笔记 如果在一个内部函数里,对一个外部作用域(但不是全局作用域 ...
- 数据库学习任务四:数据读取器对象SqlDataReader、数据适配器对象SqlDataAdapter、数据集对象DataSet
数据库应用程序的开发流程一般主要分为以下几个步骤: 创建数据库 使用Connection对象连接数据库 使用Command对象对数据源执行SQL命令并返回数据 使用DataReader和DataSet ...
- Wireshark抓包TCP三次握手数据
抓包工具 - Wireshark(详细介绍与TCP三次握手数据分析) 功能使用的详细介绍 wireshark(官方下载网站: http://www.wireshark.org/),是用来获取网络数据封 ...
- 避免subList/subString陷阱
避免subList/subString陷阱 java.util.List 接口提供了一个实例方法 List<E> subList(int fromIndex, int toIndex), ...