你不得不知道的HashMap面試連環炮
- 為什麼用HashMap?
- 簡述一下Map類繼承關係?
- 解決雜湊衝突的方法?
- 為什麼HashMap執行緒不安全?
- resize機制?
- HashMap的工作原理是什麼?
- 有什麼方法可以減少碰撞?
- HashMap中hash函式怎麼是是實現的?
- 拉鍊法導致的連結串列過深問題為什麼不用二叉查詢樹代替,而選擇紅黑樹?為什麼不一直使用紅黑樹?
- 說說你對紅黑樹的見解?
- 解決hash 碰撞還有那些辦法?
- 如果HashMap的大小超過了負載因子(load factor)定義的容量,怎麼辦?
- 重新調整HashMap大小存在什麼問題嗎?
- HashTable
- HashMap ,HashTable 區別
- ConcurrentHashMap 原理
我們可以使用CocurrentHashMap來代替Hashtable嗎?
現在是晚上11點了,學校屠豬館的自習室因為太晚要關閉了,勤奮且疲憊的小魯班也從屠豬館出來了,正準備回宿舍洗洗睡,由於自習室位置比較偏僻所以是接收不到手機網路訊號的,因此小魯班從兜裡掏出手機的時候,資訊可真是炸了呀,小魯班心想,微信群平時都沒什麼人聊天,今晚肯定是發生了什麼大事,仔細一看,才發現原來是小魯班的室友達摩(光頭)拿到了阿里巴巴JAVA開發實習生的offer,此時小魯班真替他室友感到高興的同時,心裡也難免會產生一絲絲的失落感,那是因為自己投了很多份簡歷,別說拿不拿得到offer,就連給面試邀的公司也都寥寥無幾,小魯班這會可真是受到了一萬點真實暴擊,不過小魯班還是很樂觀的,很快調整了心態,帶上耳機,慢慢的走回了宿舍,正打算準備向他那神室友達摩取取經。
片刻後~
- 小魯班:666,聽說你拿到了阿里的offer,能透露一下面試內容和技巧嗎
達摩:嘿嘿嘿,沒問題鴨,叫聲爸爸我就告訴你 - 小魯班:baba(表面笑嘻嘻,心裡MMP)
- 達摩:JAVA的基礎知識:資料結構(Map,List,Set等),設計模式,演算法,執行緒相關,IO/NIO,序列化等等。其次是高階特徵:反射機制,併發與鎖,JVM(GC策略,類載入機制,記憶體模型)等等
- 小魯班:問這麼多內容,那豈不是一個人都面試很久嗎?
- 達摩:不是的,面試官一般都會用連環炮的方式提問的。
- 小魯班:你說的連環炮是什麼意思鴨?
- 達摩:那我舉個例子
就比如問你HashMap是不是有序的?
你回答不是有序的。那面試官就會可能繼續問你,有沒有有序的Map實現類呢?
你如果這個時候說不知道的話,那這塊問題就到此結束了。
如果你說有TreeMap和LinkedHashMap。那麼面試官接下來就可能會問你,TreeMap和LinkedHashMap是如何保證它的順序的?如果你回答不上來,那麼到此為止。如果你說TreeMap是通過實現SortMap介面,能夠把它儲存的鍵值對根據key排序,基於紅黑樹,從而保證TreeMap中所有鍵值對處於有序狀態。LinkedHashMap則是通過插入排序(就是你put的時候的順序是什麼,取出來的時候就是什麼樣子)和訪問排序(改變排序把訪問過的放到底部)讓鍵值有序。
那麼面試官還會繼續問你,你覺得它們兩個哪個的有序實現比較好?
如果你依然可以回答的話,那麼面試官會繼續問你,你覺得還有沒有比它更好或者更高效的實現方式。。無窮無盡深入,直到你回答不出來或者面試官認為問題到底了
小魯班捏了一把汗,我去。。。這是魔鬼吧,那我們來試試唄(因為小魯班剛剛在自習室才看了這章的知識,想趁機裝一波逼,畢竟剛剛叫了聲爸爸~~)於是達摩and小魯班就開始了對決:
1.為什麼用HashMap?
HashMap是一個雜湊桶(陣列和連結串列),它儲存的內容是鍵值對(key-value)對映
HashMap採用了陣列和連結串列的資料結構,能在查詢和修改方便繼承了陣列的線性查詢和連結串列的定址修改
HashMap是非synchronized,所以HashMap很快
HashMap可以接受null鍵和值,而Hashtable則不能(原因就是equlas()方法需要物件,因為HashMap是後出的API經過處理才可以)
2.簡述一下Map類繼承關係
上面展示了java中Map的繼承圖,Map是一個介面,我們常用的實現類有HashMap、LinkedHashMap、TreeMap,HashTable。HashMap根據key的hashCode值來儲存value,需要注意的是,HashMap不保證遍歷的順序和插入的順序是一致的。HashMap允許有一條記錄的key為null,但是對值是否為null不做要求。HashTable類是執行緒安全的,它使用synchronize來做執行緒安全,全域性只有一把鎖,線上程競爭比較激烈的情況下hashtable的效率是比較低下的。因為當一個執行緒訪問hashtable的同步方法時,其他執行緒再次嘗試訪問的時候,會進入阻塞或者輪詢狀態,比如當執行緒1使用put進行元素新增的時候,執行緒2不但不能使用put來新增元素,而且不能使用get獲取元素。所以,競爭會越來越激烈。相比之下,ConcurrentHashMap使用了分段鎖技術來提高了併發度,不在同一段的資料互相不影響,多個執行緒對多個不同的段的操作是不會相互影響的。每個段使用一把鎖。所以在需要執行緒安全的業務場景下,推薦使用ConcurrentHashMap,而HashTable不建議在新的程式碼中使用,如果需要執行緒安全,則使用ConcurrentHashMap,否則使用HashMap就足夠了。
LinkedHashMap屬於HashMap的子類,與HashMap的區別在於LinkedHashMap儲存了記錄插入的順序。TreeMap實現了SortedMap介面,TreeMap有能力對插入的記錄根據key排序,預設按照升序排序,也可以自定義比較強,在使用TreeMap的時候,key應當實現Comparable。
3. HashMap的工作原理是什麼?
java7和java8在實現HashMap上有所區別,當然java8的效率要更好一些,主要是java8的HashMap在java7的基礎上增加了紅黑樹這種資料結構,使得在桶裡面查詢資料的複雜度從O(n)降到O(logn),當然還有一些其他的優化,比如resize的優化等。
HashMap是基於hashing的原理,我們使用put(key, value)儲存物件到HashMap中,使用get(key)從HashMap中獲取物件。當我們給put()方法傳遞鍵和值時,我們先對鍵呼叫hashCode()方法,計算並返回的hashCode是用於找到Map陣列的bucket位置來儲存Node 物件。這裡關鍵點在於指出,HashMap是在bucket中儲存鍵物件和值物件,作為Map.Node 。
Node<K,V>就是實際儲存我們的key-value對的資料結構,下面是這個資料結構的主要內容:
final int hash;
final K key;
V value;
Node<K,V> next;
以下是HashMap初始化 ,簡單模擬資料結構
以下是具體的put過程(JDK1.8版)
- 對Key求Hash值,然後再計算下標
- 如果沒有碰撞,直接放入桶中(碰撞的意思是計算得到的Hash值相同,需要放到同一個bucket中)
- 如果碰撞了,以連結串列的方式連結到後面
如果連結串列長度超過閥值( TREEIFY THRESHOLD==8),就把連結串列轉成紅黑樹,連結串列長度低於6,就把紅黑樹轉回連結串列
- 如果節點已經存在就替換舊值
如果桶滿了(容量16*載入因子0.75),就需要 resize(擴容2倍後重排),直到設定的最大值之後就無法再resize了
以下是具體get過程(考慮特殊情況如果兩個鍵的hashcode相同,你如何獲取值物件?)
當我們呼叫get()方法,HashMap會使用鍵物件的hashcode找到bucket位置,找到bucket位置之後,會呼叫keys.equals()方法去找到連結串列中正確的節點,最終找到要找的值物件。
4.解決雜湊衝突的方法?
- 有開放地址方法
- 以及鏈地址方法
5.resize機制
HashMap的擴容機制就是重新申請一個容量是當前的2倍的桶陣列,然後將原先的記錄逐個重新對映到新的桶裡面,然後將原先的桶逐個置為null使得引用失效。後面會講到,HashMap之所以執行緒不安全,就是resize這裡出的問題。
6.為什麼HashMap執行緒不安全
上面說到,HashMap會進行resize操作,在resize操作的時候會造成執行緒不安全。下面將舉兩個可能出現執行緒不安全的地方。
- put的時候導致的多執行緒資料不一致。
這個問題比較好想象,比如有兩個執行緒A和B,首先A希望插入一個key-value對到HashMap中,首先計算記錄所要落到的桶的索引座標,然後獲取到該桶裡面的連結串列頭結點,此時執行緒A的時間片用完了,而此時執行緒B被排程得以執行,和執行緒A一樣執行,只不過執行緒B成功將記錄插到了桶裡面,假設執行緒A插入的記錄計算出來的桶索引和執行緒B要插入的記錄計算出來的桶索引是一樣的,那麼當執行緒B成功插入之後,執行緒A再次被排程執行時,它依然持有過期的連結串列頭但是它對此一無所知,以至於它認為它應該這樣做,如此一來就覆蓋了執行緒B插入的記錄,這樣執行緒B插入的記錄就憑空消失了,造成了資料不一致的行為。 - 另外一個比較明顯的執行緒不安全的問題是HashMap的get操作可能因為resize而引起死迴圈(cpu100%),具體分析如下:
下面的程式碼是resize的核心內容:
void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
int newCapacity = newTable.length;
for (Entry<K,V> e : table) {
while(null != e) {
Entry<K,V> next = e.next;
if (rehash) {
e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
}
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
e = next;
}
}
}
這個方法的功能是將原來的記錄重新計算在新桶的位置,然後遷移過去。
我們假設有兩個執行緒同時需要執行resize操作,我們原來的桶數量為2,記錄數為3,需要resize桶到4,原來的記錄分別為:[3,A],[7,B],[5,C],在原來的map裡面,我們發現這三個entry都落到了第二個桶裡面。
假設執行緒thread1執行到了transfer方法的Entry next = e.next這一句,然後時間片用完了,此時的e = [3,A], next = [7,B]。執行緒thread2被排程執行並且順利完成了resize操作,需要注意的是,此時的[7,B]的next為[3,A]。此時執行緒thread1重新被排程執行,此時的thread1持有的引用是已經被thread2 resize之後的結果。執行緒thread1首先將[3,A]遷移到新的陣列上,然後再處理[7,B],而[7,B]被連結到了[3,A]的後面,處理完[7,B]之後,就需要處理[7,B]的next了啊,而通過thread2的resize之後,[7,B]的next變為了[3,A],此時,[3,A]和[7,B]形成了環形連結串列,在get的時候,如果get的key的桶索引和[3,A]和[7,B]一樣,那麼就會陷入死迴圈。
如果在取連結串列的時候從頭開始取(現在是從尾部開始取)的話,則可以保證節點之間的順序,那樣就不存在這樣的問題了。
綜合上面兩點,可以說明HashMap是執行緒不安全的。
7. 有什麼方法可以減少碰撞?
- 擾動函式可以減少碰撞,原理是如果兩個不相等的物件返回不同的hashcode的話,那麼碰撞的機率就會小些,這就意味著存連結串列結構減小,這樣取值的話就不會頻繁呼叫equal方法,這樣就能提高HashMap的效能。(擾動即Hash方法內部的演算法實現,目的是讓不同物件返回不同hashcode。)
- 使用不可變的、宣告作final的物件,並且採用合適的equals()和hashCode()方法的話,將會減少碰撞的發生。不可變性使得能夠快取不同鍵的hashcode,這將提高整個獲取物件的速度,使用String,Interger這樣的wrapper類作為鍵是非常好的選擇。為什麼String, Interger這樣的wrapper類適合作為鍵?因為String是final的,而且已經重寫了equals()和hashCode()方法了。不可變性是必要的,因為為了要計算hashCode(),就要防止鍵值改變,如果鍵值在放入時和獲取時返回不同的hashcode的話,那麼就不能從HashMap中找到你想要的物件。
8. HashMap中hash函式怎麼是是實現的?
- 我們可以看到在hashmap中要找到某個元素,需要根據key的hash值來求得對應陣列中的位置。如何計算這個位置就是hash演算法。前面說過hashmap的資料結構是陣列和連結串列的結合,所以我們當然希望這個hashmap裡面的元素位置儘量的分佈均勻些,儘量使得每個位置上的元素數量只有一個,那麼當我們用hash演算法求得這個位置的時候,馬上就可以知道對應位置的元素就是我們要的,而不用再去遍歷連結串列。 所以我們首先想到的就是把hashcode對陣列長度取模運算,這樣一來,元素的分佈相對來說是比較均勻的。但是,“模”運算的消耗還是比較大的,能不能找一種更快速,消耗更小的方式,我們來看看JDK1.8的原始碼是怎麼做的(被樓主修飾了一下)
簡單來說就是
- 高16bt不變,低16bit和高16bit做了一個異或(得到的HASHCODE轉化為32位的二進位制,前16位和後16位低16bit和高16bit做了一個異或)
- (n·1)&hash=->得到下標
- 拉鍊法導致的連結串列過深問題為什麼不用二叉查詢樹代替,而選擇紅黑樹?為什麼不一直使用紅黑樹?
之所以選擇紅黑樹是為了解決二叉查詢樹的缺陷,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。而紅黑樹在插入新資料後可能需要通過左旋,右旋、變色這些操作來保持平衡,引入紅黑樹就是為了查詢資料快,解決連結串列查詢深度的問題,我們知道紅黑樹屬於平衡二叉樹,但是為了保持“平衡”是需要付出代價的,但是該代價所損耗的資源要比遍歷線性連結串列要少,所以當長度大於8的時候,會使用紅黑樹,如果連結串列長度很短的話,根本不需要引入紅黑樹,引入反而會慢。
9. 說說你對紅黑樹的見解?
- 每個節點非紅即黑
- 根節點總是黑色的
- 如果節點是紅色的,則它的子節點必須是黑色的(反之不一定)
- 每個葉子節點都是黑色的空節點(NIL節點)
- 從根節點到葉節點或空子節點的每條路徑,必須包含相同數目的黑色節點(即相同的黑色高度)
10. 解決hash 碰撞還有那些辦法?
開放定址法。
當衝突發生時,使用某種探查技術在散列表中形成一個探查(測)序列。沿此序列逐個單元地查詢,直到找到給定的地址。
按照形成探查序列的方法不同,可將開放定址法區分為線性探查法、二次探查法、雙重雜湊法等。
下面給一個線性探查法的例子
問題:已知一組關鍵字為(26,36,41,38,44,15,68,12,06,51),用除餘法構造雜湊函式,用線性探查法解決衝突構造這組關鍵字的散列表。
前5個關鍵字插入時,其相應的地址均為開放地址,故將它們直接插入T[0],T[10),T[2],T[12]和T[5]中。
當插入第6個關鍵字15時,其雜湊地址2(即h(15)=15%13=2)已被關鍵字41(15和41互為同義詞)佔用。故探查h1=(2+1)%13=3,此地址開放,所以將15放入T[3]中。
當插入第7個關鍵字68時,其雜湊地址3已被非同義詞15先佔用,故將其插入到T[4]中。
當插入第8個關鍵字12時,雜湊地址12已被同義詞38佔用,故探查hl=(12+1)%13=0,而T[0]亦被26佔用,再探查h2=(12+2)%13=1,此地址開放,可將12插入其中。
類似地,第9個關鍵字06直接插入T[6]中;而最後一個關鍵字51插人時,因探查的地址12,0,1,…,6均非空,故51插入T[7]中。
11. 如果HashMap的大小超過了負載因子(load factor)定義的容量,怎麼辦?
預設的負載因子大小為0.75,也就是說,當一個map填滿了75%的bucket時候,和其它集合類(如ArrayList等)一樣,將會建立原來HashMap大小的兩倍的bucket陣列,來重新調整map的大小,並將原來的物件放入新的bucket陣列中。這個過程叫作rehashing,因為它呼叫hash方法找到新的bucket位置。這個值只可能在兩個地方,一個是原下標的位置,另一種是在下標為<原下標+原容量>的位置
12. 重新調整HashMap大小存在什麼問題嗎?
當重新調整HashMap大小的時候,確實存在條件競爭,因為如果兩個執行緒都發現HashMap需要重新調整大小了,它們會同時試著調整大小。在調整大小的過程中,儲存在連結串列中的元素的次序會反過來,因為移動到新的bucket位置的時候,HashMap並不會將元素放在連結串列的尾部,而是放在頭部,這是為了避免尾部遍歷(tail traversing)。如果條件競爭發生了,那麼就死迴圈了。(多執行緒的環境下不使用HashMap)
HashMap的容量是有限的。當經過多次元素插入,使得HashMap達到一定飽和度時,Key對映位置發生衝突的機率會逐漸提高。這時候,HashMap需要擴充套件它的長度,也就是進行Resize。
擴容:建立一個新的Entry空陣列,長度是原陣列的2倍。
- ReHash:遍歷原Entry陣列,把所有的Entry重新Hash到新陣列。
- 達摩:哎呦,小老弟不錯嘛~~意料之外呀
- 小魯班:嘿嘿,優秀吧,中場休息一波,我先喝口水
- 達摩:不僅僅是這些哦,面試官還會問你相關的集合類對比,比如:
13. HashTable
陣列 + 連結串列方式儲存
預設容量: 11(質數 為宜)
put:
- 索引計算 : (key.hashCode() & 0x7FFFFFFF)% table.length
若在連結串列中找到了,則替換舊值,若未找到則繼續
當總元素個數超過容量*載入因子時,擴容為原來 2 倍並重新雜湊。
將新元素加到連結串列頭部
對修改 Hashtable 內部共享資料的方法添加了 synchronized,保證執行緒安全。
14. HashMap ,HashTable 區別
預設容量不同。擴容不同
執行緒安全性,HashTable 安全
效率不同 HashTable 要慢因為加鎖
15. ConcurrentHashMap 原理
1、最大特點是引入了 CAS(藉助 Unsafe 來實現【native code】)
CAS有3個運算元:
- 記憶體值V
- 舊的預期值A
- 要修改的新值B。
當且僅當預期值A和記憶體值V相同時,將記憶體值V修改為B,否則什麼都不做。
Unsafe 藉助 CPU 指令 cmpxchg 來實現
使用例項:
- 對 sizeCtl 的控制都是用 CAS 來實現的
- sizeCtl :預設為0,用來控制 table 的初始化和擴容操作。
-1 代表table正在初始化
N 表示有 -N-1 個執行緒正在進行擴容操作
如果table未初始化,表示table需要初始化的大小。
如果table初始化完成,表示table的容量,預設是table大小的0.75倍,居然用這個公式算0.75(n - (n >>> 2))。
CAS 會出現的問題:ABA
對變數增加一個版本號,每次修改,版本號加 1,比較的時候比較版本號。
16. 我們可以使用CocurrentHashMap來代替Hashtable嗎?
我們知道Hashtable是synchronized的,但是ConcurrentHashMap同步效能更好,因為它僅僅根據同步級別對map的一部分進行上鎖。ConcurrentHashMap當然可以代替HashTable,但是HashTable提供更強的執行緒安全性。它們都可以用於多執行緒的環境,但是當Hashtable的大小增加到一定的時候,效能會急劇下降,因為迭代時需要被鎖定很長的時間。因為ConcurrentHashMap引入了分割(segmentation),不論它變得多麼大,僅僅需要鎖定map的某個部分,而其它的執行緒不需要等到迭代完成才能訪問map。簡而言之,在迭代的過程中,ConcurrentHashMap僅僅鎖定map的某個部分,而Hashtable則會鎖定整個map。
- 此時躺著床上的張飛哄了一聲:睡覺了睡覺了~
見此不太妙:小魯班立馬回到床上(泉水),把被子蓋過頭,心裡有一絲絲愉悅感,不對。好像還沒洗澡。。。
by the way
CocurrentHashMap在JAVA8中存在一個bug,會進入死迴圈,原因是遞迴建立ConcurrentHashMap 物件,但是在1.9已經修復了,場景重現如下:
想了解更多面經和開發小技能,歡迎掃描下方的二維碼,持續關注!
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