【Java面试】HashMap和HashTable的区别、HashMap底层实现原理和扩容机制

一 HashMap和HashTable的区别

HashMap 和 HashTable 都是 Java 中用于存储键值对的数据结构，但它们有一些重要的区别。以下是 HashMap 和 HashTable 的主要区别：

1. 线程安全性：
   HashMap 是非线程安全的。多个线程可以同时访问和修改 HashMap，如果没有适当的同步措施，可能会导致数据不一致或竞争条件。
   HashTable 是线程安全的。它的方法都被同步（synchronized）了，可以在多线程环境中使用，但这可能会降低性能。

2. 允许空键和空值：
   HashMap 允许使用空（null）键和空（null）值。这意味着可以将 null 作为键或值存储在 HashMap 中。
   HashTable 不允许使用空（null）键或空（null）值。如果尝试存储空（null）键或空（null）值，会抛出 NullPointerException。

3. 继承关系：
   HashMap 继承自 AbstractMap 类，而 HashTable 继承自 Dictionary 类（已过时）。

4. 效率和性能：
   由于 HashMap 不进行同步，适用于单线程环境，因此在性能上通常比 HashTable 更高效。
   HashTable 的同步操作可能导致性能下降，特别是在高并发环境下。

5. 迭代器和枚举：
   HashMap 的迭代器是快速失败的（fail-fast iterator），可以检测到在迭代过程中其他线程对 HashMap 的修改。
   HashTable 的枚举（Enumeration）不是快速失败的，不能检测到其他线程的修改。

6. 泛型支持：
   HashMap 支持泛型，可以指定键和值的类型。
   HashTable 不支持泛型，只能存储 Object 类型。

总的来说，如果在多线程环境下需要使用键值对存储，可以考虑使用 ConcurrentHashMap 来替代 HashTable，因为 ConcurrentHashMap 提供了更好的并发性能。在单线程环境下，通常首选使用 HashMap，因为它的性能更好。

import java.util.HashMap;

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个HashMap对象，键是String类型，值是Integer类型
        HashMap<String, Integer> hashMap = new HashMap<>();

        // 添加键值对到HashMap
        hashMap.put("zhangsan", 25);
        hashMap.put("lisi", 30);
        hashMap.put("wangwu", 28);
        hashMap.put("zhaoliu", 22);

        // 访问HashMap中的值
        System.out.println("Age of zhangsan: " + hashMap.get("zhangsan"));
        System.out.println("Age of wangwu: " + hashMap.get("wangwu"));

        // 检查是否包含某个键
        System.out.println("Contains key 'Bob': " + hashMap.containsKey("Bob"));
        System.out.println("Contains key 'Eve': " + hashMap.containsKey("Eve"));

        // 遍历HashMap的键值对
        for (String name : hashMap.keySet()) {
            int age = hashMap.get(name);
            System.out.println(name + " is " + age + " years old.");
        }

        // 删除键值对
        hashMap.remove("zhaoliu");

        // 获取HashMap的大小
        System.out.println("Size of HashMap: " + hashMap.size());
    }
}

二 HashMap底层实现原理和扩容机制

HashMap 的底层实现原理是基于哈希表（Hash Table）。它使用哈希函数将键映射到数组索引，然后将值存储在该索引处。当发生哈希碰撞（多个键映射到同一索引位置）时，HashMap 使用链表（或红黑树，自Java 8开始）来存储多个键值对。

底层数据结构：

• HashMap 内部使用一个数组来存储哈希桶（Bucket）。
• 每个桶可以存储一个或多个键值对。
• 每个键值对被封装为一个 Node 对象，其中包含键、值以及下一个节点的引用。

存储流程：

1. 当添加键值对时，HashMap 使用键的哈希码通过哈希函数计算出索引位置。
2. 如果该位置为空，则直接将键值对放入。
3. 如果位置不为空，可能发生哈希碰撞，HashMap 会遍历链表（或树）查找是否存在相同的键。
4. 如果存在相同的键，更新对应的值，否则将新的键值对插入链表（或树）中。

扩容机制（Rehashing）：

• HashMap 在添加键值对时，会监测当前元素数量是否超过了负载因子与初始容量的乘积（默认负载因子为0.75）。
• 如果超过了阈值，HashMap 会进行扩容，将数组大小增加一倍，然后重新计算每个键值对的新位置。
• 扩容时，所有键值对都需要重新计算哈希码并放入新的位置。这是一个相对耗时的操作。
• 扩容后，新的容量是原来的两倍，负载因子变得更小，从而减少哈希碰撞的概率，提高了性能。

红黑树（Red-Black Tree）：
在 JDK 8 及以后的版本中，HashMap 在处理哈希碰撞时引入了红黑树来提高性能，这被称为 “树化”（Treeify）操作。当链表长度达到一定阈值时，链表会被转换为红黑树，以减少查找、插入和删除操作的时间复杂度。以下是 HashMap 中红黑树部分的详细解释：

红黑树是一种自平衡的二叉搜索树，具有以下特性：

1. 每个节点要么是红色，要么是黑色。
2. 根节点是黑色的。
3. 所有叶子节点（NIL 节点，空节点）都是黑色的。
4. 如果一个节点是红色的，则其子节点必须是黑色的。
5. 从根节点到任何叶子节点的路径上，黑色节点的数量相同。

红黑树在 HashMap 中的应用：
当 HashMap 中的链表长度超过一定阈值（默认为8）时，链表会被树化。这是为了防止出现长链表导致查找、插入和删除操作的性能下降。以下是树化操作的步骤：

1. 如果链表长度小于等于阈值（8），则不进行树化，继续使用链表存储。
2. 如果链表长度大于阈值，将链表转换为红黑树。
3. 树化后，当链表中元素个数减少到小于等于6时，会将红黑树重新转换为链表，以节省内存。

优势和注意事项：
红黑树相对于链表在查找、插入和删除操作上具有更好的性能，其时间复杂度为 O(log n)，而链表的时间复杂度为 O(n)。这在处理大量数据时可以显著提高性能。

然而，红黑树的创建和维护相对于链表要复杂，占用的内存也更多。因此，红黑树主要用于优化哈希碰撞导致的性能问题，对于较小的链表，仍然使用链表存储。在实际使用中，应注意权衡和合理配置 HashMap 的初始化容量和负载因子，以便获得最佳性能。

红黑树是 HashMap 在解决哈希碰撞问题时的一种优化手段，可以提高大链表情况下的性能。它是一种自平衡的二叉搜索树，用于优化查找、插入和删除操作的性能。

总结：
HashMap 的底层实现原理基于哈希表，使用数组存储键值对，通过哈希函数映射到数组索引。在哈希碰撞时，使用链表或红黑树来存储多个键值对。为了保持性能，HashMap 会在负载因子达到一定阈值时进行扩容，以减少哈希碰撞的影响。这个底层实现使得 HashMap 能够高效地支持快速的键值对存储和检索。