三、容器类和集合框架面试题

目录

HashMap

什么是HashMap？

HashMap的数据结构

HashMap的扩容机制

HashMap的工作原理

HashMap的线程安全问题

为什么要使用ConcurrentHashMap？

ConcurrentHashMap的结构？

HashMap 为什么引入红黑树？

JDK1.8 的 HashMap 有哪些优化？

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HashMap

什么是HashMap？

HashMap是一个散列表，它存储的内容是键值对（key-value）映射。它的key、value都可以为空，此外，HashMap中的映射不是有序的。

HashMap继承于AbstractMap，实现了Map、Cloneable、Serializable的接口

HashMap的实现是不同步的，这意味着它不是线程安全的。

 

HashMap的数据结构

JDK1.8之前使用的是数组+链表的数据结构，每一个元素是一个Entry结点，包含key、value、hash值、指向下一个元素的next指针四个属性。

JDK1.8之后使用的是数组+链表或红黑树的数据结构（链表元素大于 8，并且数组长度大于 64 的时候，链表会转化为红黑树）
，每一个元素是一个Node结点，Node实现了Entry接口，Node有一个子类TreeNode，代表树结点。

 

HashMap的扩容机制

首先HashMap的默认的初始化容量是16，负载因子是0.75。

它在扩容的时候首先会计算出来一个阈值，当我在扩容的时候，它会先判断当前的size是不是要大于这个阈值，如果大于，它就会扩容成原来的2倍，然后将原来的entry进行一个resize，就是这么的一个过程。

 

HashMap的工作原理

HashMap类有一个叫做Entry的内部类。这个Entry类包含了key-value作为实例变量。每当往Hashmap里面存放key-value对的时候，都会为它们实例化一个Entry对象，这个Entry对象就会存储在Entry数组table中，Entry具体存在table的哪个位置，是根据key的hashcode（）方法计算出来的hash值来决定的。

 

HashMap的线程安全问题

①JDK1.8之前，链表结点的插入使用头插法，在多线程操作的时候可能会产生链表死循环问题。

②JDK1.8起，链表结点的插入改为尾插法，不会形成环，但是多线程操作时可能会存在值丢失的问题。

③如果要解决线程安全，可以使用ConcurrentHashMap，是线程安全的HashMap。

 

为什么要使用ConcurrentHashMap？

在并发编程中使用HashMap可能导致程序死循环，而使用线程安全的HashTable效率又非常低下。

1）线程不安全的HashMap

在多线程环境下，使用HashMap进行put操作会引起死循环，导致CPU利用率接近100%，所以在并发情况下不能使HashMap。HashMap在并发执行put操作时会引起死循环，是因为多线程会导致HashMap的Entry链表形成环形数据结构，一旦形成环形数据结构，Entry的next节点永远不为空，就会产生死循环获取Entry。

2）效率低下的HashTable

HashTable容器使用synchronized来保证线程安全，但在线程竞争激烈的情况下HashTable的效率非常低下。因为当一个线程访问HashTable的同步方法，其他线程也访问HashTable的同步方法时，会进入阻塞或轮询状态。如线程1使用put进行元素添加，线程2不但不能使用put方法添加元素，也不能使用get方法来获取元素，所以竞争越激烈效率越低。

3）ConcurrentHashMap的锁分段技术可有效提升并发访问率

HashTable容器在竞争激烈的并发环境下表现出效率低下的原因是所有访问HashTable的线程都必须竞争同一把锁，假如容器里有多把锁，每一把锁用于锁容器其中一部分数据，那么当多线程访问容器里不同数据段的数据时，线程间就不会存在锁竞争，从而可以有效提高并发访问效率，这就是ConcurrentHashMap所使用的锁分段技术。首先将数据分成一段一段地存储，然后给每一段数据配一把锁，当一个线程占用锁访问其中一个段数据的时候，其他段的数据也能被其他线程访问。
 

ConcurrentHashMap的结构？

jdk1.7中ConcurrentHashMap是由Segment数组结构和HashEntry数组结构组成。

Segment是一种可重入锁（ReentrantLock），在ConcurrentHashMap里扮演锁的角色；HashEntry则用于存储键值对数据。一个ConcurrentHashMap里包含一个Segment数组。Segment的结构和HashMap类似，是一种数组和链表结构。一个Segment里包含一个HashEntry数组，每个HashEntry是一个链表结构的元素，每个Segment守护着一个HashEntry数组里的元素，当对HashEntry数组的数据进行修改时，必须首先获得与它对应的Segment锁。

jdk1.8中ConcurrentHashMap用的是数组+链表（红黑树）的结构。而对于锁的粒度，调整为对每个数组元素加锁（Node）。然后是定位节点的hash算法被简化了，这样带来的弊端是Hash冲突会加剧。因此在链表节点数量大于8时，会将链表转化为红黑树进行存储。这样一来，查询的时间复杂度就会由原先的O(n)变为O(logN)。
 

HashMap 为什么引入红黑树？

原有的数组+链表的方式，存在极端情况，即数组很短，链表很长，这样的查询效率接 近 O(n)，引入红黑树，查询时间变为 O（logn），大大提高查询效率

红黑树是一种特化的AVL树（平衡二叉树），都是在进行插入和删除操作时通过特定操作保持二叉查找树的平衡，从而获得较高的查找性能。

JDK1.8 的 HashMap 有哪些优化？

1. 引入红黑树
2. 扩容的时候不需要重新计算 hashcode，采用与运算获得数组下标，当数组大小变为 2 倍的时候，获得的数组下标从后 n 位变成了 n+1 位，多出来的 bit 位，是 0 就不变，是 1 就加 oldcap。
3. 扩容的链表不在逆序