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面试中的HashMap、ConcurrentHashMap和Hashtable,你知道多少?

前言

学过数据结构的读者们想必其实也都学过HashMap,面试官问你的时候,想来你都是很清楚的知道HashMap是怎样的一个构成?确实很简单,就是数组加链表嘛。那再问你HashtableHashMap的区别是什么?脑子也不用想,又能出来一个答案线程安全和线程不安全,Hashtable不允许存在空值呗。那继续往深处问,HashMap是怎么做性能优化的?这个时候你是怎么样的反应呢?如果知道红黑树,那就能答出来;不知道的话那不是就凉了,因为这个时候连ConcurrentHashMap都需要放弃回答了!!!

部分图片引自JDK1.7 HashMap 导致循环链表

思维导图

HashMap源码导读

其实思路大致都是相同的,所以这里只分析一个HashMap,先贴出他的几个常见用法。

HashMap hashMap = new HashMap();
hashMap.put(key, value);
hashMap.get(key);
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主要从这个方面对HashMap的整个工作流程进行分析。

HashMap()

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
                                               initialCapacity);
        // 对数组的一个保护,不能超过int最大值范围
        if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
            initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
        if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
            throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
                                               loadFactor);
        this.loadFactor = loadFactor;
        this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
    }

    public HashMap(int initialCapacity) {
        this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    }

    public HashMap() {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
    }

    public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
        putMapEntries(m, false);
    }
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其实在无参构造方法,我们并没有看到所谓的数组的初始化,他只对我们的负载因子做了一个初始化,也就是我们一直常说的0.75f,但为什么是0.75f呢,只能说是一个经验值,也就是经验所致,因为0.5f时空间太浪费,1f时容易出现极端情况,当然也不是随便定的,设计师肯定是做了很多的测试的,但依旧是一个经验值,或者说是测试后的最优解。

回到我们之前的问题,既然我们学习的时候学到过HashMap是一个数组+链表。那做第一个思考为什么初始化不见了? 先带着这样的问题继续啊往下走。

先看看自己动手初始化容量构造函数,最后都会调用下方的tableSizeFor()方法。

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;
    }
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本质意思就是把数值变成2的指数倍,这样的好处是计算方便处理。但是出现同样的问题,没有初始化,这里也只看到了容量。问题继续保留。

put(key, value)

public V put(K key, V value) {
        return putVal(hash(key), key, value, false, true); // 1
    }
// 由注释1直接调用的方法putVal()
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        // 第一次来判断的时候,显然的tab是一个空,因为在构造函数中,我们并没有看到他的初始化,那么必然要调用resize()方法。
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length; // 2,未能初始化而必然调用的方法
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {
            Node<K,V> e; K k;
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }
            if (e != null) { // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount;
        if (++size > threshold)
            resize(); // 2
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }
// 由注释2直接调用的方法
// 由多种方法调用到这里:
// 1. 尚未初始化
// 2. 保存的数据超出 容量 * 负载因子
// 3. 数据被删的不足以支持树形的时候
final Node<K,V>[] resize() {
        Node<K,V>[] oldTab = table;
        int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
        int oldThr = threshold;
        int newCap, newThr = 0;
        // 。。。。
        // 此处对容量大小做了一系列的判定,为定义初始化容量为16
        // 。。。。
        if (newThr == 0) {
            float ft = (float)newCap * loadFactor;
            newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                      (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
        }
        threshold = newThr;
        // 进行了整个的table进行一个初始化
        // 而这个table就是一个Node的数组
        // Node也就是链表的一个个节点,读者自己点进去观察就能看到next节点
        @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
        Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
        table = newTab;
        // 。。。。。
    }
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到这里我们就已经明白了,原来初始化的过程已经在这里进行了定义,这也就解决了我们的第一个问题了。但是随之而来第二个问题,为什么要这样设计呢? 这里给出我思考的一个答案,如果只创建了,却没有进行使用呢?那至少就会占去16个数据类型大小的内存,而这样的创建方法,就是对内存的一种保护机制。

第三个问题,为什么要转变成树形(当然它是有好听的名字的,叫做红黑树)? 其实结构的转换为的不外乎几种原因效率问题、空间占用问题。如果使用链表查询,他的查询速度是O(n) ,而红黑树的查询速度是O(logn)。但是红黑树带来的问题确实一个存储容量的问题,作为二叉树,他需要同时保存左右节点,而单链表只有一个节点,那么内存消耗的问题就出来了。树的构造问题能讲一篇博客,所以就不再这里讲先了。

get(key)

public V get(Object key) {
        Node<K,V> e;
        return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
    }
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通过hash值来寻找我们对应的节点,那我们就需要先来看看这个hash是怎么计算的。

static final int hash(Object key) {
        int h;
        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
    }
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答案也是一目了然的,获得hashCode()值,然后进行于0000_0000_0000_0000b进行异或运算。其实就是为了算出hashCode()的低16位。那我们获得了hash值以后,就需要来找找我们的节点了。

final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
            (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
            if (first.hash == hash && // always check first node
                ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                return first;
            if ((e = first.next) != null) {
                if (first instanceof TreeNode)
                // 对树形中的数据进行查找
                    return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
                // 对链表中的数据进行查找
                do {
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        return e;
                } while ((e = e.next) != null);
            }
        }
        return null;
    }
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然后获取到我们需要的数据,然后就返还给我们了,哇哦!!原来整体就够就是这么简单的。(其实真正写起来不简单,分析起来简单一点罢了,嘿嘿。)

HashMap和Hashtable有什么不同

既然我们已经知道了整个的HashMap的构成,那主要要了解的对象就应该是Hashtable了。那我们先来看看Hashtable的构造函数好了。

// 无参构造函数初始化,处理容量为11,负载因子为0,75
public Hashtable() {
        this(11, 0.75f);
    }
// 链表的创建在默认最后嗲用的构造函数中就已经创建
// 那这里我们就发现了第一个不同的地方。
public Hashtable(int initialCapacity, float loadFactor) {
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                               initialCapacity);
        if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Load: "+loadFactor);

        if (initialCapacity==0)
            initialCapacity = 1;
        this.loadFactor = loadFactor;
        table = new Entry<?,?>[initialCapacity];
        threshold = (int)Math.min(initialCapacity * loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE + 1);
    }
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文内写了第一个不同点,但是还有一个不同点,你是否发现了? 就是容量的问题,在HashMap中的容量计算全部都是往2的指数倍进行靠近的,但是Hashtable并没有做出这样的选择,但是在负载因子上又出奇的一致。

再看看Hashtableput(key, value)方法。

public synchronized V put(K key, V value) {
        // 判空机制的存在,和HashMap并无判空,也就容许null作为key存在
        if (value == null) {
            throw new NullPointerException();
        }

        // Makes sure the key is not already in the hashtable.
        Entry<?,?> tab[] = table;
        int hash = key.hashCode();
        int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
        @SuppressWarnings("unchecked")
        Entry<K,V> entry = (Entry<K,V>)tab[index];
        for(; entry != null ; entry = entry.next) {
            if ((entry.hash == hash) && entry.key.equals(key)) {
                V old = entry.value;
                entry.value = value;
                return old;
            }
        }

        addEntry(hash, key, value, index);
        return null;
    }
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我们常说Hashtable是一个线程安全的类,而这里也给了我们答案,他在方法上加了synchronized,也就是锁的机制,来完成我们的同步。但是思前想后,我都存在一个疑惑,你们是否看到了他的resize()函数呢?,没错,并不存在resize()函数。

那我们继续往下看看好了,因为在这个函数中还存在一个addEntry()方法,看看里面是不是有扩容机制呢。

private void addEntry(int hash, K key, V value, int index) {
        modCount++;

        Entry<?,?> tab[] = table;
        if (count >= threshold) {
            // Rehash the table if the threshold is exceeded
            rehash();

            tab = table;
            hash = key.hashCode();
            index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
        }

        // Creates the new entry.
        @SuppressWarnings("unchecked")
        Entry<K,V> e = (Entry<K,V>) tab[index];
        tab[index] = new Entry<>(hash, key, value, e);
        count++;
    }
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原来他改头换面了,在addEntry()方法中,我们发现他的重构函数是一个叫做rehash()的函数。而扩容机制和HashMap相同都是放大两倍的操作来进行完成的。但是从效率上来讲,因为一直数组+链表的形式存在,就算是没有线程安全的机制,效率上来说总体还是比HashMap差劲的。

ConcurrentHashMap就线程安全的性能优化

说到ConcurrentHashMap,其实他和HashMap一样都是存在JDK1.8前后的版本差异的。

网上可以查到很多关于version 1.8之前的机制,也就是分段锁,可以看做成多个Hashtable的组合。而version 1.8之后的机制,就是锁槽了。迟点做一个详细的解析。

既然是性能优化,那么就应该有性能优化的点。

(1)和HashMap的实现方式一样,数组+链表+红黑树,查找性能上优于Hashtable前提: 使用的容量大于8。

(2)分段锁机制 / 锁槽机制:不再是整个数组加锁,而是对单条或者几条链表和红黑树进行加锁,也就同时能够就收多个不同的hash操作了。

因为我本地使用的JDK1.8,所以我们就先研究一下JDK1.8的做法好了。

final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
        if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
        int hash = spread(key.hashCode());
        int binCount = 0;
        for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
            Node<K,V> f; int n, i, fh;
            if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
                //。。。。。
            }
            else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
                // 引入了CAS机制
                if (casTabAt(tab, i, null,
                             new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
                    break;                   // no lock when adding to empty bin
            }
            else if ((fh = f.hash) == MOVED)
                //。。。。。
            else {
                V oldVal = null;
                synchronized (f) {
                    // 。。。。。
                }
                //。。。。。
            }
        }
        addCount(1L, binCount);
        return null;
    }
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需要关注的是加锁对象synchronized (f)。对变量f代表就一个hash对应的一条链表,而加锁正好加的是这条链表,或者这颗红黑树上,另外索引为空时通过CAS的方式来创建一个新的节点。这也就是JDK 1.8引入的新机制CAS+锁。

那我们再看看JDK 1.7的做法是什么样的,就直接用一张图来直观感受吧

version 1.7的时候根据Segment来给每一链配锁,但是带来的问题就是hash搜索时间变长。不过相较于Hashtable而言,性能上还是更加出色的。因为分段锁的机制也就不影响两两段之间并不会存在锁的问题,也就提高了性能。

而相较于version 1.8来说,性能确是不足的,首先是引入了红黑树的原因,第二Segment的维护其他相较于现在是一个比较麻烦的过程。而后者调整为单个Node进行一个调整,需要进行调整的范围减小了,带来了两个好处,一是好管理,二是可同时操作的数量增加。

HashMap中的循环链

这是一个引申的内容,同样的分为version 1.71.8。当然产生的原因无非就是高并发的情况下,单线程处理的情况下怎么可能发生这种情况??

先讲讲version 1.7的循环链问题,和产生和这个问题的原因。

先让我们知道一下version 1.7的问题点在哪儿。

void transfer(Entry[] newTable)
{
    Entry[] src = table;
    int newCapacity = newTable.length;
    // 很轻松是一个复制的工程
    for (int j = 0; j < src.length; j++) {
        Entry<K,V> e = src[j];
        if (e != null) {
            src[j] = null;
            do {
                Entry<K,V> next = e.next;
                int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
                e.next = newTable[i];
                newTable[i] = e;
                e = next;
            } while (e != null);
        }
    }
}
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整体来说就一个头插法的模式。

单线程情况下

我们说了是头插法,你能够看到最明显的地方就是7和3的位置互换。

高并发情况下

步骤一:

线程1获取到e = 3,且next = 7的时候被挂起,而线程2已经执行完毕,就会得到下图的结果。

步骤二:

那现在就是由线程1完成新的一份操作了,但是实际上整体数据已经修改,他手里的数据是一份脏数据,他保持了之前的数据,而之前数据的7,已经成为了现在的头。

步骤三:

步骤二后,3完成了插入,再将7拿到手了,但是发现7的next指针还是指向了3,那完了,就变成了3 -> 7 -> 3 -> 7 .......的死循环状态了。

其实1.8做过了改进,但是同样的会照成循环链的问题。

其实挺多博客都没version 1.8会说已经结束了这个问题,但是为什么再提,那还不是因为被发现这个问题依旧存在码。但是这次不是头插法了,是出现在树形和链表的数据结构转化上,具体就不复述了。

其实知道即可,因为谁高并发状况还要用HashMap,这不是明知山有虎,偏向虎山行的蠢笨做法嘛。

总结

其实总体来说就是性能上是HashMap > ConcurrentHashMap > Hashtable ,考虑上线程安全以后ConcurrentHashMap > Hashtable 。也就是基于这些原因才会出现后来我们在使用ConcurrentHashMap出现来替代Hashtable的情况。

红黑树也是我们对于性能优化的一种策略,但是从构建角度来看的话,红黑树的构建方式确实还是比较麻烦的,需要一定的逻辑基础。

以上就是我的学习成果,如果有什么我没有思考到的地方或是文章内存在错误,欢迎与我分享。


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