备战秋招—HashMap与ConcurrentHashMap的前世今生

备战秋招—HashMap与ConcurrentHashMap的前世今生

备战秋招，Java集合的重要程度不言而喻，今天就来聊聊Java集合中的重中之重HashMap，直接进入模拟面试场景。
面试官：小伙子来聊聊java集合吧？
瑟瑟发抖的我：集合框架的父接口有Map接口和Collection接口，Map接口的实现类主要有：HashMap、TreeMap、ConcurrentHashMap、Hashtable等。Collection接口的子接口包括：Set接口和List接口，Set接口的实现类主要有：HashSet、TreeSet、LinkedHashSet等，List接口的实现类主要有：ArrayList、LinkedList、Vector等。
面试官：嗯，好的，刚才听你说聊到了HashMap，和我聊聊HashMap吧，把你知道的都说出来。
继续瑟瑟发抖的我：HashMap是Map的一个实现类，Map存储形式是键值对(key,value)的。HashMap在JDK1.7版本，存储结构是数组 + 链表，而在JDK1.8，变为了数组 + 链表 + 红黑树。在JDK1.7，hash值计算方式为扰动处理 多次位运算 + 多次异或运算，而在1.8中仅仅需要1次位运算 + 1次异或运算。并且插入方式也存在不同，JDK1.7，采用头插法，将原来位置的数据移到后1位，再插入数据到该位置，1.8变为了尾插法，插入到链表尾部/红黑树。当链表中的数据较多时，查询的效率会下降，所以在JDK1.8版本后做了一个升级，hashmap就是当链表中的元素达到8并且元素数量大于64时，会将链表替换成红黑树才会树化时，会将链表替换成红黑树，来提高查找效率。因为对于搜索，插入，删除操作多的情况下，使用红黑树的效率要高一些。
面试官：打断一下，你有了解哈希冲突么？能解释一下你说的扰动处理嘛，HashMap是如何来解决哈希冲突的？
哆哆嗦嗦的我：有些了解的，哈希冲突就是，两个不同的输入值，根据同一散列函数计算出相同的散列值的现象，就把它称为哈希碰撞。数组：寻址容易，插入和删除困难；链表：寻址困难，但插入和删除容易；我们将数组和链表结合在一起，使用一种叫做链地址法的方式可以解决哈希冲突。HashMap初始的容量大小为16要远小于int类型的范围，所以我们如果只是单纯的用hashCode取余来获取对应的bucket这将会大大增加哈希碰撞的概率，并且最坏情况下还会将HashMap变成一个单链表，所以我们还需要对hashCode作一定的优化，如果使用hashCode取余，那么相当于参与运算的只有hashCode的低位，高位是没有起到任何作用的，所以我们的思路就是让hashCode取值出的高位也参与运算，把hashCode右移16位，与自己进行异或运算，这样降低了hash碰撞的概率，使得数据分布更平均，我们把这样的操作称为扰动。我记得源码是这样优化的

static final int hash(Object key) {
     
    int h;
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);// 
}

总结一下HashMap是如何来解决哈希冲突的：

1. 使用散列表来链接拥有相同hash值的数据；
2. 使用2次扰动函数（hash函数）来降低哈希冲突的概率，使得数据分布更平均；
3. 引入红黑树进一步降低遍历的时间复杂度，使得遍历更快；

面试官：小伙子，不错啊，那你知道为什么数组长度要保证为2的幂次方嘛？
听了夸奖不太抖的我：当数组长度为2的幂次方时，h&(length-1)才等价于h%length，即实现了key的定位，2的幂次方也可以减少冲突次数，提高HashMap的查询效率；
length 为 2 的次幂 ，所以 length-1 转化为二进制是 11111……的形式，在于 h 的二进制与操作效率会非常的快，空间充分利用；如果 length 不是 2 的次幂，空间浪费大，数组可以使用的位置比数组长度小了很多，进一步增加了碰撞的几率，减慢了查询的效率！
面试官：1.8中为什么需要两次扰动？能解释一下这样做的好处么？三次不行么？
不会问题又抖了起来的我：这，这个我不太清楚，没有深入去了解。
面试官：两次扰动，加大哈希值低位的随机性，使得分布更均匀，从而提高对应数组存储下标位置的随机性&均匀性，最终减少Hash冲突，两次就够了，已经达到了高位低位同时参与运算的目的，没关系的，这你下去再了解一下。
HashMap是线程安全的么？平时的话对于多线程场景下是如何保证线程安全的？
瑟瑟发抖的我：HashMap是线程不安全的，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%，而且会抛出并发修改异常，导致原因是并发争取线程资源，修改数据导致的，一个线程正在写，一个线程过来争抢，导致线程写的过程被其他线程打断，导致数据不一致。平常我都用ConcurrentHashMap。
面试官：为什么不用HashTable？
心情慢慢平缓下来的我：HashTable是线程安全的实现代价却太大了，get/put所有相关操作都是synchronized的，这相当于给整个哈希表加了一把大锁。多线程访问时候，只要有一个线程访问或操作该对象，那其他线程只能阻塞，相当于将所有的操作串行化，在竞争激烈的并发场景中性能就会非常差。
面试官：那你简单说说ConcurrentHashMap。
渐渐充满自信的我：在JDK1.7版本中ConcurrentHashMap避免了对全局加锁，改成了局部加锁（Segment），segment 是一种可重入的锁 ReentrantLock，每个 Segment 守护一个HashEntry 数组里得元素，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，能够实现真正的并发访问。不过这种结构的带来的副作用是Hash的过程要比普通的HashMap要长。
所以在JDK1.8版本中，采用Node数组 + CAS + Synchronized来保证并发安全进行实现，CurrentHashMap内部中的value使用volatile修饰，保证并发的可见性以及禁止指令重排，只不过volatile不保证原子性，使用为了确保原子性，采用CAS（比较交换）这种乐观锁来解决。
面试官：今天时间不早了，今天的面试就到这里吧，后面会有人联系你的，等待消息吧。