引言

由於近期忙著搬家，又偷懶了幾個禮拜！
其實我很早以前就想寫一篇關於HashMap的面試專題。對於JAVA求職者來說，HashMap可謂是集合類的重中之重，甚至你在複習的時候，其他集合類都不用看，專攻HashMap即可。
然而，鑑於網上大部分的關於HashMap的面試方向文章，煙哥看過後都不是太滿意。因此，斗膽嘗試也寫一篇關於HashMap的面試專題文章!

正文

(1)HashMap的實現原理?

此題可以組成如下連環炮來問

• 你看過HashMap原始碼嘛，知道原理嘛?
• 為什麼用陣列+連結串列？
• hash衝突你還知道哪些解決辦法？
• 我用LinkedList代替陣列結構可以麼?
• 既然是可以的,為什麼HashMap不用LinkedList,而選用陣列?

你看過HashMap原始碼嘛，知道原理嘛?
針對這個問題，嗯，當然是必須看過HashMap原始碼。至於原理，下面那張圖很清楚了:

HashMap採用Entry陣列來儲存key-value對，每一個鍵值對組成了一個Entry實體，Entry類實際上是一個單向的連結串列結構，它具有Next指標，可以連線下一個Entry實體。
只是在JDK1.8中，連結串列長度大於8的時候，連結串列會轉成紅黑樹！
為什麼用陣列+連結串列？
陣列是用來確定桶的位置，利用元素的key的hash值對陣列長度取模得到.
連結串列是用來解決hash衝突問題，當出現hash值一樣的情形，就在陣列上的對應位置形成一條連結串列。

ps:這裡的hash值並不是指hashcode，而是將hashcode高低十六位異或過的。至於為什麼要這麼做，繼續往下看。

hash衝突你還知道哪些解決辦法？
比較出名的有四種(1)開放定址法(2)鏈地址法(3)再雜湊法(4)公共溢位區域法

ps:大家有興趣拓展的，自己去搜一下就懂了，這個就不拓展了！
我用LinkedList代替陣列結構可以麼?
這裡我稍微說明一下，此題的意思是，原始碼中是這樣的

Entry[] table = new Entry[capacity];

ps：Entry就是一個連結串列節點。
那我用下面這樣表示

List<Entry> table = new LinkedList<Entry>();  
 

是否可行?
答案很明顯，必須是可以的。
既然是可以的,為什麼HashMap不用LinkedList,而選用陣列?
因為用陣列效率最高！
在HashMap中，定位桶的位置是利用元素的key的雜湊值對陣列長度取模得到。此時，我們已得到桶的位置。顯然陣列的查詢效率比LinkedList大。

那ArrayList，底層也是陣列，查詢也快啊，為啥不用ArrayList?
(煙哥寫到這裡的時候，不禁覺得自己真有想法，自己把自己問死了，還好我靈機一動想出了答案)
因為採用基本陣列結構，擴容機制可以自己定義，HashMap中陣列擴容剛好是2的次冪，在做取模運算的效率高。
而ArrayList的擴容機制是1.5倍擴容，那ArrayList為什麼是1.5倍擴容這就不在本文說明了。

(2)HashMap在什麼條件下擴容?

此題可以組成如下連環炮來問

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

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為0.75，為了最大程度避免雜湊衝突
current capacity為當前陣列大小。

為什麼擴容是2的次冪?
HashMap為了存取高效，要儘量較少碰撞，就是要儘量把資料分配均勻，每個連結串列長度大致相同，這個實現就在把資料存到哪個連結串列中的演算法； 這個演算法實際就是取模，hash%length。
但是，大家都知道這種運算不如位移運算快。
因此，原始碼中做了優化hash&(length-1)。
也就是說hash%length==hash&(length-1)
那為什麼是2的n次方呢？
因為2的n次方實際就是1後面n個0，2的n次方-1，實際就是n個1。
例如長度為8時候，3&(8-1)=3 2&(8-1)=2 ，不同位置上，不碰撞。
而長度為5的時候，3&(5-1)=0 2&(5-1)=0，都在0上，出現碰撞了。
所以，保證容積是2的n次方，是為了保證在做(length-1)的時候，每一位都能&1 ，也就是和1111……1111111進行與運算。

為什麼為什麼要先高16位異或低16位再取模運算?
我先晒一下，jdk1.8裡的hash方法。1.7的比較複雜，咱就不看了。

hashmap這麼做，只是為了降低hash衝突的機率。打個比方，
當我們的length為16的時候，雜湊碼(字串“abcabcabcabcabc”的key對應的雜湊碼)對(16-1)與操作，對於多個key生成的hashCode，只要雜湊碼的後4位為0，不論不論高位怎麼變化，最終的結果均為0。
如下圖所示

而加上高16位異或低16位的“擾動函式”後，結果如下

可以看到: 擾動函式優化前：1954974080 % 16 = 1954974080 & (16 - 1) = 0 擾動函式優化後：1955003654 % 16 = 1955003654 & (16 - 1) = 6 很顯然，減少了碰撞的機率。

(3)講講hashmap的get/put的過程?

此題可以組成如下連環炮來問

• 知道hashmap中put元素的過程是什麼樣麼?
• 知道hashmap中get元素的過程是什麼樣麼？
• 你還知道哪些hash演算法？
• 說說String中hashcode的實現?(此題很多大廠問過)

知道hashmap中put元素的過程是什麼樣麼?
對key的hashCode()做hash運算，計算index;
如果沒碰撞直接放到bucket裡；
如果碰撞了，以連結串列的形式存在buckets後；
如果碰撞導致連結串列過長(大於等於TREEIFY_THRESHOLD)，就把連結串列轉換成紅黑樹(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。

知道hashmap中get元素的過程是什麼樣麼?
對key的hashCode()做hash運算，計算index;
如果在bucket裡的第一個節點裡直接命中，則直接返回；
如果有衝突，則通過key.equals(k)去查詢對應的Entry;

• 若為樹，則在樹中通過key.equals(k)查詢，O(logn)；
• 若為連結串列，則在連結串列中通過key.equals(k)查詢，O(n)。

你還知道哪些hash演算法？
先說一下hash演算法幹嘛的，Hash函式是指把一個大範圍對映到一個小範圍。把大範圍對映到一個小範圍的目的往往是為了節省空間，使得資料容易儲存。
比較出名的有MurmurHash、MD4、MD5等等

說說String中hashcode的實現?(此題頻率很高)

public int hashCode() {
    int h = hash;
    if (h == 0 && value.length > 0) {
        char val[] = value;

        for (int i = 0; i < value.length; i++) {
            h = 31 * h + val[i];
        }
        hash = h;
    }
    return h;
}

String類中的hashCode計算方法還是比較簡單的，就是以31為權，每一位為字元的ASCII值進行運算，用自然溢位來等效取模。

雜湊計算公式可以計為s[0]*31^(n-1) + s[1]*31^(n-2) + ... + s[n-1]
那為什麼以31為質數呢?
主要是因為31是一個奇質數，所以31*i=32*i-i=(i<<5)-i，這種位移與減法結合的計算相比一般的運算快很多。

(4)為什麼hashmap的在連結串列元素數量超過8時改為紅黑樹?

此題可以組成如下連環炮來問

• 知道jdk1.8中hashmap改了啥麼?
• 為什麼在解決hash衝突的時候，不直接用紅黑樹?而選擇先用連結串列，再轉紅黑樹?
• 我不用紅黑樹，用二叉查詢樹可以麼?
• 那為什麼閥值是8呢?
• 當連結串列轉為紅黑樹後，什麼時候退化為連結串列?

知道jdk1.8中hashmap改了啥麼?

• 由陣列+連結串列的結構改為陣列+連結串列+紅黑樹。
• 優化了高位運算的hash演算法：h^(h>>>16)
• 擴容後，元素要麼是在原位置，要麼是在原位置再移動2次冪的位置，且連結串列順序不變。

最後一條是重點，因為最後一條的變動，hashmap在1.8中，不會在出現死迴圈問題。

為什麼在解決hash衝突的時候，不直接用紅黑樹?而選擇先用連結串列，再轉紅黑樹?
因為紅黑樹需要進行左旋，右旋，變色這些操作來保持平衡，而單鏈表不需要。
當元素小於8個當時候，此時做查詢操作，連結串列結構已經能保證查詢效能。當元素大於8個的時候，此時需要紅黑樹來加快查詢速度，但是新增節點的效率變慢了。

因此，如果一開始就用紅黑樹結構，元素太少，新增效率又比較慢，無疑這是浪費效能的。

我不用紅黑樹，用二叉查詢樹可以麼?
可以。但是二叉查詢樹在特殊情況下會變成一條線性結構（這就跟原來使用連結串列結構一樣了，造成很深的問題），遍歷查詢會非常慢。

那為什麼閥值是8呢?
不知道，等jdk作者來回答。
這道題，網上能找到的答案都是扯淡。
我隨便貼一個牛客網的答案，如下圖所示

看出bug沒？交點是6.64？交點分明是4，好麼。
log4=2，4/2=2。
jdk作者選擇8，一定經過了嚴格的運算，覺得在長度為8的時候，與其保證連結串列結構的查詢開銷，不如轉換為紅黑樹，改為維持其平衡開銷。

當連結串列轉為紅黑樹後，什麼時候退化為連結串列?
為6的時候退轉為連結串列。中間有個差值7可以防止連結串列和樹之間頻繁的轉換。假設一下，如果設計成連結串列個數超過8則連結串列轉換成樹結構，連結串列個數小於8則樹結構轉換成連結串列，如果一個HashMap不停的插入、刪除元素，連結串列個數在8左右徘徊，就會頻繁的發生樹轉連結串列、連結串列轉樹，效率會很低。

(5)HashMap的併發問題?

此題可以組成如下連環炮來問

• HashMap在併發程式設計環境下有什麼問題啊?
• 在jdk1.8中還有這些問題麼?
• 你一般怎麼解決這些問題的？

HashMap在併發程式設計環境下有什麼問題啊?

• (1)多執行緒擴容，引起的死迴圈問題
• (2)多執行緒put的時候可能導致元素丟失
• (3)put非null元素後get出來的卻是null

在jdk1.8中還有這些問題麼?

在jdk1.8中，死迴圈問題已經解決。其他兩個問題還是存在。

你一般怎麼解決這些問題的？

比如ConcurrentHashmap，Hashtable等執行緒安全等集合類。

(6)你一般用什麼作為HashMap的key?

此題可以組成如下連環炮來問

• 健可以為Null值麼?
• 你一般用什麼作為HashMap的key?
• 我用可變類當HashMap的key有什麼問題?
• 如果讓你實現一個自定義的class作為HashMap的key該如何實現？

健可以為Null值麼?
必須可以，key為null的時候，hash演算法最後的值以0來計算，也就是放在陣列的第一個位置。

你一般用什麼作為HashMap的key?
一般用Integer、String這種不可變類當HashMap當key，而且String最為常用。

• (1)因為字串是不可變的，所以在它建立的時候hashcode就被快取了，不需要重新計算。這就使得字串很適合作為Map中的鍵，字串的處理速度要快過其它的鍵物件。這就是HashMap中的鍵往往都使用字串。
• (2)因為獲取物件的時候要用到equals()和hashCode()方法，那麼鍵物件正確的重寫這兩個方法是非常重要的,這些類已經很規範的覆寫了hashCode()以及equals()方法。

我用可變類當HashMap的key有什麼問題?
hashcode可能發生改變，導致put進去的值，無法get出，如下所示

HashMap<List<String>, Object> changeMap = new HashMap<>();
List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("hello");
Object objectValue = new Object();
changeMap.put(list, objectValue);
System.out.println(changeMap.get(list));
list.add("hello world");//hashcode發生了改變
System.out.println(changeMap.get(list));

輸出值如下

java.lang.Object@74a14482
null

如果讓你實現一個自定義的class作為HashMap的key該如何實現？
此題考察兩個知識點

• 重寫hashcode和equals方法注意什麼?
• 如何設計一個不變類

針對問題一，記住下面四個原則即可
(1)兩個物件相等，hashcode一定相等
(2)兩個物件不等，hashcode不一定不等
(3)hashcode相等，兩個物件不一定相等
(4)hashcode不等，兩個物件一定不等
針對問題二，記住如何寫一個不可變類
(1)類新增final修飾符，保證類不被繼承。
如果類可以被繼承會破壞類的不可變性機制，只要繼承類覆蓋父類的方法並且繼承類可以改變成員變數值，那麼一旦子類以父類的形式出現時，不能保證當前類是否可變。

(2)保證所有成員變數必須私有，並且加上final修飾
通過這種方式保證成員變數不可改變。但只做到這一步還不夠，因為如果是物件成員變數有可能再外部改變其值。所以第4點彌補這個不足。

(3)不提供改變成員變數的方法，包括setter
避免通過其他介面改變成員變數的值，破壞不可變特性。

(4)通過構造器初始化所有成員，進行深拷貝(deep copy)
如果構造器傳入的物件直接賦值給成員變數，還是可以通過對傳入物件的修改進而導致改變內部變數的值。例如：

public final class ImmutableDemo {  
    private final int[] myArray;  
    public ImmutableDemo(int[] array) {  
        this.myArray = array; // wrong  
    }  
}

這種方式不能保證不可變性，myArray和array指向同一塊記憶體地址，使用者可以在ImmutableDemo之外通過修改array物件的值來改變myArray內部的值。
為了保證內部的值不被修改，可以採用深度copy來建立一個新記憶體儲存傳入的值。正確做法：

public final class MyImmutableDemo {  
    private final int[] myArray;  
    public MyImmutableDemo(int[] array) {  
        this.myArray = array.clone();   
    }   
}

(5)在getter方法中，不要直接返回物件本身，而是克隆物件，並返回物件的拷貝
這種做法也是防止物件外洩，防止通過getter獲得內部可變成員物件後對成員變數直接操作，導致成員變數發生改變。

總結

這篇文章能概括大部分HashMap的面試題了，希望大家有所收穫！