用面试题梳理——HashMap底层原理

1.HashMap的特性有哪些？

1. HashMap是Map接口的一个实现，用来实现键值对的快速存取，key、value都可为null，key值不可重复，重复则后来者覆盖。
2. 不保证有序。
3. HashMap的实现不是同步的，这意味着它不是线程安全的。

关键词：存储键值对、存储无序、线程不安全
 

2.HashMap的底层特性？

1. HashMap在jdk1.8之前采用 数组+链表 的数据结构，数组在调用构造函数的时候就创建。数组是HashMap的主体，链表则是为了解决哈希冲突（也就是用哈希函数计算出哈希值，然后用哈希值计算出的桶的索引位置相同）。

2. HashMap在jdk1.8之后采用 数组+链表+红黑树 的数据结构，数组在第一次插入元素时调用扩容函数进行创建。当链表长度大于阈值（默认为8）且数组长度大于64时，将链表转换为红黑树结构，解决链表过长影响查询效率的问题。

关键词：jdk1.8之前的数据结构及各部分作用，jdk1.8之后的数据结构及添加的部分的作用。
 

3.hashMap中put是如何实现的？

分为三大步，一是计算出元素在数组中的存储索引位置，二是将数据保存到table数组中，三是修改某些成员变量的值并根据情况判断是否扩容。

1. ①首先要根据键值key计算出哈希值，然后通过位运算实现哈希值的取模，以得到元素在数组中的索引位置。
   ②如果是第一次插入数据（在jdk1.8之后），还要先通过resize()方法对数组进行初始化。
2. ①判断将要存储的数组位置是否已经存在元素，不存在则说明没有发生哈希碰撞，直接将元素添加到数组中。
   ②存在则说明发生了哈希碰撞，需要依次进行以下判断：
   a.是否是相同的key值，是则覆盖掉旧值替换为新值；
   b.是否是红黑树结构，是则直接插入；
   c.以上判断均不符合，说明是链表结构，则遍历链表在尾部进行插入，在这个过程中如果检查到相同key值元素则直接替换旧值，如果插入元素后链表长度大于阈值则尝试转化为红黑树。
3. 代表元素个数的size加一，代表修改次数的modCount加一，size超过临界值则进行扩容。

关键词：计算索引位置，保存数据到数组（依次判断：数组索引位置有无元素；key值是否相同；节点类型），扩容。

（图来自https://www.cnblogs.com/LiaHon/p/11149644.html）
 

4.HashMap中什么时候需要进行扩容，扩容resize()又是如何实现的？

（1）扩容时机：

1. 初始化数组（jdk1.8之后，默认在第一次插入数据的时候才进行数组初始化，初始化是通过调用扩容方法实现的）；
2. 当元素个数超过临界值（临界值=装载因子*数组容量）；
3. 当链表长度超过默认阈值8，尝试转化为红黑树，但发现数组长度不到64时。

（2）扩容机制：

1. 如果数组未初始化过，会将数组的容量和装载因子都设置为默认值，并将数组创建出来。

2. 如果数组初始化过，扩容会分配一个新的数组，新的数组长度翻倍，然后遍历整个老结构将元素重新哈希映射到新的数组里。

   HashMap在进行扩容时，使用的重新哈希的方式非常巧妙，因为每次扩容都是翻倍，与原来计算的 (数组长度-1)&hash 的结果相比，只是多了一个bit位，所以结点要么就在原来的位置，要么就被分配到"原位置+旧容量"这个位置。

关键词：三个时机（初始化、临界值、扩容），实现机制（初始化和真正扩容容量翻倍重新分配）
 

5.谈一下hashMap中get是如何实现的？

主要分为两步，一是根据计算出的哈希值得到数组索引，二是在索引对应的桶上进行查找。

1. 判断数组非空后，计算出哈希值，得到数组索引。
2. 如果在桶的首位上就可以找到就直接返回，否则在树中折半查找或者链表中遍历查找。

关键词：计算索引、依次查找
 

6.谈一下HashMap中hash函数是怎么实现的？还有哪些hash函数的实现方式？

（1）hash函数的实现：对key的hashCode做hash操作，与高16位做异或运算。
（2）其他hash函数实现方式：还有平方取中法，除留余数法，伪随机数法。
 

7.为什么不直接将key作为哈希值而是与高16位做异或运算？

因为如果直接使用key作为哈希值的话，当产生key的哈希值高位变化大低位变化小的情况时，会发生严重的哈希冲突，可能需要扩容或转化为红黑树结构，影响HashMap的性能。而如果和高16位做异或运算，就能同时用上高十六位和第十六位，增加了随机性，减少哈希冲突的次数。

关键词：哈希冲突、反面（如果不优化的后果）、正面（优化的作用）
 

8.HashMap的容量为什么必须是2的n次幂？

HashMap为了使数据均匀分布，减少哈希冲突，在计算元素将要存储的数组索引时，会将计算出哈希值再进行取模运算，而为了提升效率，HashMap底层采用 (数组长度-1)&hash 代替 取模运算。

为了使 (数组长度-1)&hash 结果等效于 对hash进行取模运算，所以HashMap的容量必须是2的n次幂，来保证容量减一就是低位全一，可以截取低位进行取模运算。

关键词：取模运算、(数组长度-1)&hash
 

9.谈一下当两个对象的hashCode相等时会怎么样？

会发生哈希冲突，哈希值一样则计算出的索引位置也会一样，此时后插入的元素就需要插入到尾部，或链表长度到了阈值转化为红黑树或扩容。

关键：哈希冲突
 

10.如果两个键的hashcode相同，如何获取需要的key对应的值对象？

两个条件：用==比较key的地址相同 或 用equals()比较内容相同。

关键词：比较地址或内容
 

11.平时在使用HashMap时一般使用什么类型的元素作为Key？

选择Integer，String这种不可变的类型，像对String的一切操作都是新建一个String对象，对新的对象进行拼接分割等，这些类已经很规范的覆写了hashCode()以及equals()方法。作为不可变类天生是线程安全的，而且可以很好的优化比如可以缓存hash值，避免重复计算等等。

关键词：不可变类型，重写hashCode()以及equals()方法，线程安全
 

12.传统hashMap的缺点(为什么引入红黑树？

JDK 1.8 以前 HashMap 的实现是 数组+链表，即使哈希函数取得再好，也很难达到元素百分百均匀分布。当 HashMap 中有大量的元素都存放到同一个桶中时，这个桶下有一条长长的链表，这个时候 HashMap 就相当于一个单链表，假如单链表有 n 个元素，遍历的时间复杂度就是 O(n)，完全失去了它的优势。针对这种情况，JDK 1.8 中引入了 红黑树（查找时间复杂度为 O(logn)）来优化这个问题。

关键词：元素分布不均匀，查找效率低
 

13.请解释一下HashMap的参数loadFactor，它的作用是什么？

loadFactor表示HashMap的拥挤程度，影响hash操作到同一个数组位置的概率。默认loadFactor等于0.75，当HashMap里面容纳的元素已经达到HashMap数组长度的75%时，表示HashMap太挤了，需要扩容，在HashMap的构造器中可以定制loadFactor。

关键词：拥挤程度，扩容
 

14.如果让你实现一个自定义的class作为HashMap的key该如何实现？

需要重写他的hashCode方法以及equals方法。