原创|如果懂了HashMap这两点，面试就没问题了

HashMap 是后端面试的常客，比如默认初始容量是多少？加载因子是多少？是线程非安全的吗？put 操作过程复述下？get 操作复述下？在 jdk 1.7 和 1.8 实现上有什么不同？等等一系列问题，可能这些问题你都能对答如流，说明对 HashMap 还是比较理解的，但最近我们团队的同学做了一个技术分享，其中有几点我挺有收获的，我给大家分享下

我们每周五都会进行技术分享，大家轮流分享，其实这种机制挺好的，大家坐在一起深入讨论一个知识点，进行思维的碰撞，多赢

抛出两个问题，看你能否回答出来？

1. 如何找到比设置的初始容量值大的最小的 2 的幂次方整数？
2. HashMap 中对 key 做 hash 处理时，做了什么特殊操作？为什么这么做？

先自己思考下，再往下阅读效果更佳哦！

下面的分析都是针对 jdk 1.8

分析

问题1：如何找到比设置的初始容量值大的最小的 2 的幂次方整数？

我们在用 HashMap 的时候，如果用默认构造器，就会建一个初始容量为 16，加载因子为 0.75 的 HashMap。这样做有个缺点，就是在数据量比较大的时候，会进行频繁的扩容操作，扩容会发生数据的移位，为了避免扩容，提高性能，我们习惯预估下容量，然后通过带容量的构造器创建，看下源码

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
    ...
    // 如果设置的初始容量大于最大容量就默认为最大容量 2^30     
    if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
        initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
    ...
    this.loadFactor = loadFactor;
    // tableSizeFor 方法主要就是计算比给定的初始容量值大的最小的 2 的幂次方整数
    this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}

通过源码我们可知，容量最大值为 2^30，也就是说 HashMap 的数组部分的长度的范围为[0,2^30]，然后计算比初始容量大的最小的2的幂次方整数，其中 tableSizeFor 方法是重点，我们看下源码

// Returns a power of two size for the given target capacity
static final int tableSizeFor(int cap) {
    int n = cap - 1;
    n |= n >>> 1;
    n |= n >>> 2;
    n |= n >>> 4;
    n |= n >>> 8;
    n |= n >>> 16;
    return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}

这个方法设计的非常巧妙，因为 HashMap 要保证容量是 2 的整数次幂，该方法实现的效果就是如果你输入的 cap 本身就是 2 的整数次幂，那么就返回 cap 本身，如果输入的 cap 不是 2 的整数次幂，返回的就是比 cap 大的最小的 2 的整数次幂

为什么容量要是 2 的整数次幂？

因为获取 key 在数组中对应的下标是通过 key 的哈希值与数组长度 -1 进行与运算，如：tab[i = (n - 1) & hash]

1. n 为 2 的整数次幂，这样 n-1 后之前为 1 的位后面全是 1，这样就能保证 (n-1) & hash 后相应的位数既可能是 0 又可能是 1，这取决于 hash 的值，这样能保证散列的均匀，同时与运算效率高
2. 如果 n 不是 2 的整数次幂，会造成更多的 hash 冲突

该方法首先执行了 cap -1 操作，这样做的好处是避免输入的 cap 是 2 的整数次幂，最后计算的数是 cap 的 2 倍的情况，因为设置 cap 已经满足 HashMap 的要求了，没有必要初始化一个 2 倍容量的 HashMap 了，看不明白不急后面有示例分析

前面我们已经介绍 HashMap 的最大容量为 2^30，所以容量最大就是 30 bit 的整数，我们就用 30 位的一个数演示下算法中的移位取或操作，假设 n = 001xxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx （x 代表该位上是 0 还是 1 我们不关心）

第一次右移 n |= n >>> 1 ，该操作是用 n 本身 和 n 右移 1 位后的数进行或操作，这样可以实现把 n 的最高位的 1 紧邻的右边一位也置为 1

n       001xxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx
n >>> 1 0001xx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx
| 或操作 0011xx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx
结果就是把 n 的最高位为 1 的紧邻的右边的 1 位也置为了 1，这样高位中有连续两位都是 1

第二次右移 n |= n >>> 2

n       0011xx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx
n >>> 2 000011 xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx
| 或操作 001111 xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx
结果就是 n 的高位中有连续 4 个 1

第三次右移 n |= n >>> 4

n       001111 xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx
n >>> 4 000000 1111xxxx xxxxxxxx xxxxxxxx
| 或操作 001111 1111xxxx xxxxxxxx xxxxxxxx
结果就是 n 的高位中有连续 8 个 1

第四次右移 n |= n >>> 8

n        001111 1111xxxx xxxxxxxx xxxxxxxx
n >>> 8  000000 00001111 1111xxxx xxxxxxxx
| 或操作  001111 11111111 1111xxxx xxxxxxxx
结果就是 n 的高位中有连续 16 个 1

第五次右移 n | n >>> 16

n        001111 11111111 1111xxxx xxxxxxxx
n >>> 16 000000 00000000 00001111 11111111
| 或操作  001111 11111111 11111111 11111111
结果就是 n 的高位1后面都置为 1

最后会对 n 和最大容量做比较，如果 >= 2^30，就取最大容量，如果 < 2^30 ，就对 n 进行 +1 操作，因为后面位数都为1，所以 +1 就相当于找比这个数大的最小的 2的整数次幂

011111 11111111 11111111 11111111，这个值就是比给的值大的最小的 2 的整数次幂

下面我们用一个具体说演示下，比如 cap = 18

cap为18

我们输入的是 18，输出的是 32，正好是比 18 大的最小的 2 整数次幂

如果 cap 本身就为 2的整数次幂，输出结果为什么？

cap为16

通过演示可见，cap 本身就是 2 的整数次幂的输出结果为其本身

上面还遗留了个问题，就是先对 cap -1，我解释说为了避免输出的是偶数，最后计算的结果为 2*cap，浪费空间，看下面的演示

cap为16未减一

通过演示，我们可以看出，输入的是 16，最后计算的结果却是 32，这就会浪费空间了，所以说算法很牛，先对 cap 做了减一操作

问题2：HashMap 中对 key 做 hash 处理时，做了什么特殊操作？为什么这么做？

首先我们知道 HashMap 在做 put 操作的时候，会先对 key 做 hash 操作，直接定位到源码位置

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

可以看到再对 key 做 hash 操作时，执行了 (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16)

原 hashCode 值: 10110101 01001100 10010101 11011111
右移 16 位后的值: 00000000 00000000 10110101 01001100 
异或后的值：      10110101 01001100 00100000 10010011

这个操作是把 key 的 hashCode 值与 hashCode 值右移 16 位做异或（不同为 1，相同为 0），这样就是把哈希值的高位和低位一起混合计算，这样就能使生成的 hash 值更离散

这里需要我解释下，通过前面的介绍，我们知道数组的容量范围是 [0,2^30]，这个数还是比较大的，平时使用的数组容量还是比较小的，比如默认的大小 16，假设三个不同的 key 生成的 hashCoe 值如下所示：

19305951 00000001 00100110 10010101 11011111

128357855 00000111 10100110 10010101 11011111

38367 00000000 00000000 10010101 11011111

他们三个有个共同点是低 16 位完全一样，但高 16 位不同，当计算他们在数组中所在的下标时，通过 (n-1)&hash，这里 n 是 16，n-1=15,15 的二进制表示为

00000000 00000000 00000000 00001111

用 19305951、128357855、38367 都与 15 进行 & 运算，结果如下

hash冲突

通过计算后发现他们的结果一样，也就是说他们会被放到同一个下标下的链表或红黑树中，显然不符合我们的预期

所以对 hash 与其右移 16 位后的值进行异或操作，然后与 15 做与运算，看 hash 冲突情况

解决hash冲突

可见经过右移 16位后再进行异或操作，然后计算其对应的数组下标后，就被分到了不同的桶中，解决了哈希碰撞问题，思想就是把高位和低位混合进行计算，提高分散性

总结

其实 HashMap 还有很多值得研究的点，上面两个点搞明白后，会感叹作者写代码的能力真是牛，我们在工作中要借鉴这些思想，希望通过我的讲解，你能掌握这两个知识点，如果有不懂的可以留言或私聊我

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