【Java自顶向下】HashMap面试题（2021最新版）
文章目录
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- 1.HashMap的底层数据结构？
- 2.为啥需要链表，链表又是怎么样子的呢？
- 3.新的Entry节点在插入链表的时候，是怎么插入的么？
- 4.Java7中的HashMap和Java8中的HashMap的区别？
- 5.java8之后为啥改为尾部插入呢？
- 6.为啥会线程不安全？
- 7.有什么线程安全的类代替么?
- 8.那你知道ConcurrentHashMap的分段锁的实现原理吗？
- 9.默认初始化大小是多少？为啥是这么多？为啥大小都是2的幂？
- 10.HashMap的扩容方式？负载因子是多少？为什是这么多？
- 11.HashMap是怎么处理hash碰撞的？
- 12.提到HashMap的初始化，那HashMap怎么设定初始容量大小的吗？
- 13.你了解HashMap在JDK8中的数据插入原理吗？
- 14.HashMap的哈希函数怎么设计的？
- 15.为什么这么设计Hash函数？
- 16.为什么采用hashcode的高16位和低16位异或能降低hash碰撞？hash函数能不能直接用key的hashcode？
- 17.JDK8对hash函数做了优化，JDK8还有别的优化吗？
- 18.你分别跟我讲讲为什么要做这几点优化？
- 19.HashMap内部节点是有序的吗？
- 20.那有没有有序的Map？
- 21.跟我讲讲LinkedHashMap怎么实现有序的？
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1.HashMap的底层数据结构？
HashMap是我们非常常用的数据结构，由数组和链表组合构成的数据结构。数组里面每个地方都存了Key-Value这样的实例，在Java7叫Entry在Java8中叫Node。因为他本身所有的位置都为null，在put插入的时候会根据key的hash去计算一个index值。
Java 7 中的HashMap的底层是一个数组+链表的设计，每个hash值的第一个值放在数组里，之后经过hash运算得到相同的hash值锁定数组下标，数组中的每一个元素都是一个单向链表（碰撞，列表）
2.为啥需要链表，链表又是怎么样子的呢？
我们都知道数组长度是有限的，在有限的长度里面我们使用哈希，哈希本身是通过Hash函数计算出来的，结果就存在概率性，两个不同的key，hash有一定的概率会一样，那就形成了链表。每一个节点都会保存自身的hash、key、value、以及下个节点。
3.新的Entry节点在插入链表的时候，是怎么插入的么？
java8之前是头插法，就是说新来的值会取代原有的值，原有的值就顺推到链表中去，因为写这个代码的作者认为后来的值被查找的可能性更大一点，提升查找的效率。但是，在java8之后，都用尾部插入了
4.Java7中的HashMap和Java8中的HashMap的区别？
Java 7 中的HashMap的底层是一个数组+链表的设计，每个hash值的第一个值放在数组里，之后经过hash运算得到相同的hash值锁定数组下标，数组中的每一个元素都是一个单向链表（碰撞，列表）
5.java8之后为啥改为尾部插入呢？
在插入时采用尾插法（1.7是头插法），在并发场景下导致链表成环的问题。而在jdk1.8中采用尾插入法，在扩容时会保持链表元素原本的顺序，就不会出现链表成环的问题了。
什么是头插法和尾插法
头插法带来的环状
6.为啥会线程不安全？
通过源码看到put/get方法都没有加同步锁，多线程情况最容易出现的就是：无法保证上一秒put的值，下一秒get的时候还是原值，所以线程安全还是无法保证。
7.有什么线程安全的类代替么?
Java中有HashTable、Collections.synchronizedMap、以及ConcurrentHashMap可以实现线程安全的Map。
HashTable是直接在操作方法上加synchronized关键字，锁住整个数组，粒度比较大。
Collections.synchronizedMap是使用 Collections集合工具的内部类，通过传入Map封装出一个SynchronizedMap对象，内部定义了一个对象锁，方法内通过对象锁实现。
ConcurrentHashMap使用分段锁，降低了锁粒度，让并发度大大提高。
我们一般都会使用HashTable或者ConcurrentHashMap，但是因为前者的并发度的原因基本上没啥使用场景了，所以存在线程不安全的场景我们都使用的是ConcurrentHashMap。
HashTable我看过他的源码，很简单粗暴，直接在方法上锁，并发度很低，最多同时允许一个线程访问，ConcurrentHashMap就好很多了，1.7和1.8有较大的不同，不过并发度都比前者好太多了。
8.那你知道ConcurrentHashMap的分段锁的实现原理吗？
ConcurrentHashMap成员变量使用volatile 修饰，免除了指令重排序，同时保证内存可见性，另外使用CAS操作和synchronized结合实现 赋值操作，多线程操作只会锁住当前操作索引的节点。 如下图，线程A锁住A节点所在链表，线程B锁住B节点所在链表，操作互不干涉。
9.默认初始化大小是多少？为啥是这么多？为啥大小都是2的幂？
是16，因为在使用不是2的幂的数字的时候，Length-1的值是所有二进制位全为1，这种情况下，index的结果等同于HashCode后几位的值。 只要输入的HashCode本身分布均匀，Hash算法的结果就是均匀的。 这是为了实现均匀分布。
10.HashMap的扩容方式？负载因子是多少？为什是这么多？
capacity：当前数组容量，始终保持 $2^n$，可以扩容，扩容后数组大小为当前的 2 倍。
loadFactor：负载因子，默认为 0.75。
threshold：扩容的阈值，等于 capacity * loadFactor。
Java 8 中的HashMap的底层是数组+链表+红黑树的方式实现。
改进的是在数据量较大的情况下（Java8 中，当链表中的元素超过了 8 个以后，会将链表转换为红黑树）单向链表的时间复杂是O(N)，采用红黑树将时间复杂度降到O(logN)。
那么， 如果我们在删除容器中的元素的时候，删到多少才使得红黑树的存储结构转为链表呢？答案是6
也就是说，在JDK8之后，创建HashMap对象=>添加数组中同一个位置元素超过8个=>该位置链表转为红黑树=>删除数组中同一个位置元素少于6个=>该位置红黑树转为列表。
最小树形化容量阈值：即 当哈希表中的容量 > 该值时，才允许树形化链表 （即 将链表 转换成红黑树）， 否则，若桶内元素太多时，则直接扩容，而不是树形化。为了避免进行扩容、树形化选择的冲突，这个值不能小于 4 * TREEIFY_THRESHOLD。
也就是说，当数组中某个桶中的元素大于8，小于64时，使用容量进行两倍扩容（其实就是用扩容代替链表转红黑树操作）。当数组中某个桶中的元素大于8且大于64时，链表转红黑树操作。
hashMap并不是在链表元素个数大于8就一定会转换为红黑树，而是先考虑扩容，扩容达到默认限制后才转换
hashMap的红黑树不一定小于等于6的时候就会转换为链表，而是只有在resize的时候才会根据 UNTREEIFY_THRESHOLD（6） 进行转换
11.HashMap是怎么处理hash碰撞的？
Java中HashMap是利用“拉链法”处理HashCode的碰撞问题。
在调用HashMap的put方法或get方法时，都会首先调用hashcode方法，去查找相关的key，当有冲突时，再调用equals方法。hashMap基于hasing原理，我们通过put和get方法存取对象。
当我们将键值对传递给put方法时，他调用键对象的hashCode()方法来计算hashCode，然后找到bucket（哈希桶）位置来存储对象。当获取对象时，通过键对象的equals()方法找到正确的键值对，然后返回值对象。
HashMap使用链表来解决碰撞问题，当碰撞发生了，对象将会存储在链表的下一个节点中。hashMap在每个链表节点存储键值对对象。当两个不同的键却有相同的hashCode时，他们会存储在同一个bucket位置的链表中。
键对象的equals()来找到键值对。
12.提到HashMap的初始化，那HashMap怎么设定初始容量大小的吗？
一般如果new HashMap() 不传值，默认大小是16，负载因子是0.75， 如果自己传入初始大小k，初始化大小为大于k的2的整数次方，例如如果传10，大小为16
13.你了解HashMap在JDK8中的数据插入原理吗？
14.HashMap的哈希函数怎么设计的？
hash函数是先拿到通过key 的hashcode，是32位的int值，然后让hashcode的高16位和低16位进行异或操作。
15.为什么这么设计Hash函数？
这个也叫扰动函数，这么设计有二点原因：
一定要尽可能降低hash碰撞，越分散越好；
算法一定要尽可能高效，因为这是高频操作, 因此采用位运算；
16.为什么采用hashcode的高16位和低16位异或能降低hash碰撞？hash函数能不能直接用key的hashcode？
因为key.hashCode()函数调用的是key键值类型自带的哈希函数，返回int型散列值。
int值范围为-2147483648~2147483647， 前后加起来大概40亿的映射空间。
只要哈希函数映射得比较均匀松散，一般应用是很难出现碰撞的。
但问题是一个40亿长度的数组，内存是放不下的。
因为如果HashMap数组的初始大小才16，用之前需要对数组的长度取模运算，得到的余数才能用来访问数组下标。
源码中模运算就是把散列值和数组长度-1做一个"与"操作，位运算比%运算要快。
bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
static int indexFor(int h, int length) {
return h & (length-1);
}
便说一下，这也正好解释了为什么HashMap的数组长度要取2的整数幂。因为这样（数组长度-1）正好相当于一个“低位掩码”。“与”操作的结果就是散列值的高位全部归零，只保留低位值，用来做数组下标访问。以初始长度16为例，16-1=15。2进制表示是00000000 00000000 00001111。和某散列值做“与”操作如下，结果就是截取了最低的四位值。
HashMap与运算
HashMap碰撞
17.JDK8对hash函数做了优化，JDK8还有别的优化吗？
1. 数组+链表改成了数组+链表或红黑树；
2. 链表的插入方式从头插法改成了尾插法，简单说就是插入时，如果数组位置上已经有元素，1.7将新元素放到数组中，原始节点作为新节点的 后继节点，1.8遍历链表，将元素放置到链表的最后；
3. 扩容的时候1.7需要对原数组中的元素进行重新hash定位在新数组的位置，1.8采用更简单的判断逻辑，位置不变或索引+旧容量大小;
4. 在插入时，1.7先判断是否需要扩容，再插入，1.8先进行插入，插入完成再判断是否需要扩容；
18.你分别跟我讲讲为什么要做这几点优化？
防止发生hash冲突，链表长度过长，将时间复杂度由O(n)降为O(logn);
因为1.7头插法扩容时，头插法会使链表发生反转，多线程环境下会产生环；
A线程在插入节点B，B线程也在插入，遇到容量不够开始扩容，重新hash，放置元素，采用头插法，后遍历到的B节点放入了头部，这样形成了环，如上图所示
扩容的时候为什么1.8 不用重新hash就可以直接定位原节点在新数据的位置呢?
这是由于扩容是扩大为原数组大小的2倍，用于计算数组位置的掩码仅仅只是高位多了一个1，怎么理解呢？
扩容前长度为16，用于计算(n-1) & hash 的二进制n-1为0000 1111，扩容为32后的二进制就高位多了1，为0001 1111。
因为是& 运算，1和任何数 & 都是它本身，那就分二种情况，如下图：原数据hashcode高位第4位为0和高位为1的情况；第四位高位为0，重新hash数值不变，第四位为1，重新hash数值比原来大16（旧数组的容量）
HashMap中的与运算
19.HashMap内部节点是有序的吗？
是无序的，根据hash值随机插入
20.那有没有有序的Map？
LinkedHashMap 和 TreeMap
21.跟我讲讲LinkedHashMap怎么实现有序的？
LinkedHashMap内部维护了一个单链表，有头尾节点，同时LinkedHashMap节点Entry内部除了继承HashMap的Node属性，还有before 和after用于标识前置节点和后置节点。可以实现按插入的顺序或访问顺序排序。