我向面试官讲解了hashmap底层原理,他对我竖起了大拇指

4,251 阅读7分钟

前言:

正值金九银十的黄金招聘期,大家都准备好了吗?HashMap是程序员面试必问的一个知识点,其内部的基本实现原理是每一位面试者都应该掌握的,只有真正地掌握了 HashMap的内部实现原理,面对面试官的拷问,才不会手忙脚乱,只有经历面试官的狂轰滥炸才能够凝练自己的知识。本篇文章结合丰富的图文形式,将帮助大家理解JDK7 版本的 HashMap基础及其实现原理。

在这里插入图片描述

一、 HashMap介绍

在这里插入图片描述

HashMap简介:

HashMap 是一个散列表,它存储的内容是键值对(key-value)映射。 HashMap 继承于AbstractMap,实现了Map、Cloneable、java.io.Serializable接口。 HashMap 的实现不是同步的,这意味着它不是线程安全的。它的key、value都可以为null。此外,HashMap中的映射不是有序的。 HashMap 的实例有两个参数影响其性能:“初始容量” 和 “加载因子”。容量 是哈希表中桶的数量,初始容量 只是哈希表在创建时的容量。加载因子 是哈希表在其容量自动增加之前可以达到多满的一种尺度。当哈希表中的条目数超出了加载因子与当前容量的乘积时,则要对该哈希表进行rehash 操作(即重建内部数据结构),从而哈希表将具有大约两倍的桶数。 通常,默认加载因子是 0.75, 这是在时间和空间成本上寻求一种折衷。加载因子过高虽然减少了空间开销,但同时也增加了查询成本(在大多数 HashMap 类的操作中,包括 get 和 put 操作,都反映了这一点)。在设置初始容量时应该考虑到映射中所需的条目数及其加载因子,以便最大限度地减少 rehash 操作次数。如果初始容量大于最大条目数除以加载因子,则不会发生 rehash 操作。

HashMap的继承关系: 在这里插入图片描述 HashMap与Map关系如下图: 在这里插入图片描述

HashMap的构造函数

HashMap共有4个构造函数,如下:

// 默认构造函数。
HashMap()
// 指定“容量大小”的构造函数
HashMap(int capacity)
// 指定“容量大小”和“加载因子”的构造函数
HashMap(int capacity, float loadFactor)
// 包含“子Map”的构造函数
HashMap(Map<? extends K, ? extends V> map)

二、JDK7 中 HashMap 底层原理

HashMap 在 JDK7 或者 JDK8 中采用的基本存储结构都是数组+链表形式。本节主要是研究 HashMap 在 JDK7 中的底层实现,其基本结构图如下所示:

在这里插入图片描述 上图中左边橙色区域是哈希表,右边蓝色区域为链表,链表中的元素类型为 Entry,它包含四个属性分别是:

  • K key
  • V value
  • int hash
  • Entry next

那么为什么会出现数组+链表形式的存储结构呢?这里简单地阐述一下,我们在使用 HashMap.put("Key", "Value")方法存储数据的时候,底层实际是将 key 和 value 以 Entry的形式存储到哈希表中,哈希表是一个数组,那么它是如何将一个 Entry 对象存储到数组中呢?是如何确定当前 key 和 value 组成的 Entry 该存到数组的哪个位置上,换句话说是如何确定 Entry 对象在数组中的索引的呢?通常情况下,我们在确定数组的时候,都是在数组中挨个存储数据,直到数组全满,然后考虑数组的扩容,而 HashMap 并不是这么操作的。在 Java 及大多数面向对象的编程语言中,每个对象都有一个整型变量 hashcode,这个 hashcode 是一个很重要的标识,它标识着不同的对象,有了这个 hashcode,那么就很容易确定 Entry 对象的下标索引了,在 Java 语言中,可以理解 hashcode 转化为数组下标是按照数组长度取模运算的,基本公式如下所示:

int index = HashCode(key) % Array.length

实际上,在 JDK 中哈希函数并没有直接采取取模运算,而是利用了位运算的方式来提高性能,在这里我们理解为简单的取模运算。 我们知道了对 Key 进行哈希运算然后对数组长度进行取模就可以得到当前 Entry 对象在数组中的下标,那么我们可以一直调用 HashMap 的 put 方法持续存储数据到数组中。但是存在一种现象,那就是根据不同的 Key 计算出来的结果有可能会完全相同,这种现象叫作“哈希冲突”。既然出现了哈希冲突,那么发生冲突的这个数据该如何存储呢?哈希冲突其实是无法避免的一个事实,既然无法避免,那么就应该想办法来解决这个问题,目前常用的方法主要是两种,一种是开放寻址法,另外一种是链表法。 开放寻址法是原理比较简单,就是在数组里面“另谋高就”,尝试寻找下一个空档位置。而链表法则不是寻找下一个空档位置,而是继续在当前冲突的地方存储,与现有的数据组成链表,以链表的形式进行存储。HashMap 的存储形式是数组+链表就是采用的链表法来解决哈希冲突问题的。具体的详细说明请继续往下看。 在日常开发中,开发者对于 HashMap 使用的最多的就是它的构造方法、put 方法以及 get 方法了,下面就开始详细地从这三个方法出发,深入理解 HashMap 的实现原理。

三、HashMap put、get 方法流程图

这里提供一个 HashMap 的 put 方法存储数据的流程图供读者参考: 在这里插入图片描述

这里提供一个 HashMap 的 get 方法获取数据的流程图供读者参考: 在这里插入图片描述 上面中 get 流程图画得稍微比正常的要复杂一些,只是为了描述流程更加清晰。

四、常见的 HashMap 的迭代方式

在实际开发过程中,我们对于 HashMap 的迭代遍历也是常见的操作,HashMap 的迭代遍历常用方式有如下几种:

  • 方式一:迭代器模式
Map<String, String> map = new HashMap<>(16);
Iterator<Map.Entry<String, String>> iterator = map.entrySet().iterator();
while (iterator.hasNext()) {
    Map.Entry<String, String> next = iterator.next();
    System.out.println(next.getKey() + ":" + next.getValue());
}
  • 方式二:遍历 Set>方式
Map<String, String> map = new HashMap<>(16);
for (Map.Entry<String, String> entry : map.entrySet()) {
    System.out.println(entry.getKey() + ":" + entry.getValue());
}
  • 方式三:forEach 方式(JDK8 特性,lambda)
Map<String, String> map = new HashMap<>(16);
map.forEach((key, value) -> System.out.println(key + ":" + value));
  • 方式四:keySet 方式
Map<String, String> map = new HashMap<>(16);
Iterator<String> keyIterator = map.keySet().iterator();
while (keyIterator.hasNext()) {
    String key = keyIterator.next();
    System.out.println(key + ":" + map.get(key));
}

把这四种方式进行比较,前三种其实属于同一种,都是迭代器遍历方式,如果要同时使用到 key 和 value,推荐使用前三种方式,如果仅仅使用到 key,那么推荐使用第四种。

五、总结

本文着重讲解了 JDK7 中 HashMap 的具体实现原理,相信读者仔细品读以后,对 JDK7 中的 HashMap 的实现会有一个清晰地认识,JDK7 中的 HashMap 的实现原理属于经典实现,不管 JDK7 是否已经再被使用,但是其基本原理还是值得学习!后续将继续讲解 JDK8 中的 HashMap实现原理,届时将对比 JDK7,帮助读者掌握两者之间的共性和差异!

另外本人整理收藏了20年多家公司面试知识点整理 ,以及各种Java核心知识点都整理成文档,下方有部分截图,想要资料的话可以下方领取 备注:掘金。

在这里插入图片描述