小編帶你HashMap的工作原理

HashMap的工作原理是近年來(lái)常見(jiàn)的Java面試題。幾乎每個(gè)Java程序員都知道HashMap，都知道哪里要用HashMap，知道Hashtable和HashMap之間的區(qū)別，那么為何這道面試題如此特殊呢？是因?yàn)檫@道題考察的深度很深。這題經(jīng)常出現(xiàn)在高級(jí)或中高級(jí)面試中。投資銀行更喜歡問(wèn)這個(gè)問(wèn)題，甚至?xí)竽銓?shí)現(xiàn)HashMap來(lái)考察你的編程能力。ConcurrentHashMap和其它同步集合的引入讓這道題變得更加復(fù)雜。讓我們開(kāi)始探索的旅程吧！

先來(lái)些簡(jiǎn)單的問(wèn)題
“你用過(guò)HashMap嗎？” “什么是HashMap？你為什么用到它？”

幾乎每個(gè)人都會(huì)回答“是的”，然后回答HashMap的一些特性，譬如HashMap可以接受null鍵值和值，而Hashtable則不能；HashMap是非synchronized;HashMap很快；以及HashMap儲(chǔ)存的是鍵值對(duì)等等。這顯示出你已經(jīng)用過(guò)HashMap，而且對(duì)它相當(dāng)?shù)氖煜?。但是面試官?lái)個(gè)急轉(zhuǎn)直下，從此刻開(kāi)始問(wèn)出一些刁鉆的問(wèn)題，關(guān)于HashMap的更多基礎(chǔ)的細(xì)節(jié)。面試官可能會(huì)問(wèn)出下面的問(wèn)題：

“你知道HashMap的工作原理嗎？” “你知道HashMap的get()方法的工作原理嗎？”

你也許會(huì)回答“我沒(méi)有詳查標(biāo)準(zhǔn)的Java API，你可以看看Java源代碼或者Open JDK?！薄拔铱梢杂肎oogle找到答案?！?/p>

但一些面試者可能可以給出答案，“HashMap是基于hashing的原理，我們使用put(key, value)存儲(chǔ)對(duì)象到HashMap中，使用get(key)從HashMap中獲取對(duì)象。當(dāng)我們給put()方法傳遞鍵和值時(shí)，我們先對(duì)鍵調(diào)用hashCode()方法，返回的hashCode用于找到bucket位置來(lái)儲(chǔ)存Entry對(duì)象?！边@里關(guān)鍵點(diǎn)在于指出，HashMap是在bucket中儲(chǔ)存鍵對(duì)象和值對(duì)象，作為Map.Entry。這一點(diǎn)有助于理解獲取對(duì)象的邏輯。如果你沒(méi)有意識(shí)到這一點(diǎn)，或者錯(cuò)誤的認(rèn)為僅僅只在bucket中存儲(chǔ)值的話，你將不會(huì)回答如何從HashMap中獲取對(duì)象的邏輯。這個(gè)答案相當(dāng)?shù)恼_，也顯示出面試者確實(shí)知道hashing以及HashMap的工作原理。但是這僅僅是故事的開(kāi)始，當(dāng)面試官加入一些Java程序員每天要碰到的實(shí)際場(chǎng)景的時(shí)候，錯(cuò)誤的答案頻現(xiàn)。下個(gè)問(wèn)題可能是關(guān)于HashMap中的碰撞探測(cè)(collision detection)以及碰撞的解決方法：

“當(dāng)兩個(gè)對(duì)象的hashcode相同會(huì)發(fā)生什么？” 從這里開(kāi)始，真正的困惑開(kāi)始了，一些面試者會(huì)回答因?yàn)閔ashcode相同，所以?xún)蓚€(gè)對(duì)象是相等的，HashMap將會(huì)拋出異常，或者不會(huì)存儲(chǔ)它們。然后面試官可能會(huì)提醒他們有equals()和hashCode()兩個(gè)方法，并告訴他們兩個(gè)對(duì)象就算hashcode相同，但是它們可能并不相等。一些面試者可能就此放棄，而另外一些還能繼續(xù)挺進(jìn)，他們回答“因?yàn)閔ashcode相同，所以它們的bucket位置相同，‘碰撞’會(huì)發(fā)生。因?yàn)镠ashMap使用鏈表存儲(chǔ)對(duì)象，這個(gè)Entry(包含有鍵值對(duì)的Map.Entry對(duì)象)會(huì)存儲(chǔ)在鏈表中。”這個(gè)答案非常的合理，雖然有很多種處理碰撞的方法，這種方法是最簡(jiǎn)單的，也正是HashMap的處理方法。但故事還沒(méi)有完結(jié)，面試官會(huì)繼續(xù)問(wèn)：

“如果兩個(gè)鍵的hashcode相同，你如何獲取值對(duì)象？” 面試者會(huì)回答：當(dāng)我們調(diào)用get()方法，HashMap會(huì)使用鍵對(duì)象的hashcode找到bucket位置，然后獲取值對(duì)象。面試官提醒他如果有兩個(gè)值對(duì)象儲(chǔ)存在同一個(gè)bucket，他給出答案:將會(huì)遍歷鏈表直到找到值對(duì)象。面試官會(huì)問(wèn)因?yàn)槟悴](méi)有值對(duì)象去比較，你是如何確定確定找到值對(duì)象的？除非面試者直到HashMap在鏈表中存儲(chǔ)的是鍵值對(duì)，否則他們不可能回答出這一題。

其中一些記得這個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)的面試者會(huì)說(shuō)，找到bucket位置之后，會(huì)調(diào)用keys.equals()方法去找到鏈表中正確的節(jié)點(diǎn)，最終找到要找的值對(duì)象。完美的答案！

許多情況下，面試者會(huì)在這個(gè)環(huán)節(jié)中出錯(cuò)，因?yàn)樗麄兓煜薶ashCode()和equals()方法。因?yàn)樵诖酥癶ashCode()屢屢出現(xiàn)，而equals()方法僅僅在獲取值對(duì)象的時(shí)候才出現(xiàn)。一些優(yōu)秀的開(kāi)發(fā)者會(huì)指出使用不可變的、聲明作final的對(duì)象，并且采用合適的equals()和hashCode()方法的話，將會(huì)減少碰撞的發(fā)生，提高效率。不可變性使得能夠緩存不同鍵的hashcode，這將提高整個(gè)獲取對(duì)象的速度，使用String，Interger這樣的wrapper類(lèi)作為鍵是非常好的選擇。

如果你認(rèn)為到這里已經(jīng)完結(jié)了，那么聽(tīng)到下面這個(gè)問(wèn)題的時(shí)候，你會(huì)大吃一驚。“如果HashMap的大小超過(guò)了負(fù)載因子(load factor)定義的容量，怎么辦？”除非你真正知道HashMap的工作原理，否則你將回答不出這道題。默認(rèn)的負(fù)載因子大小為0.75，也就是說(shuō)，當(dāng)一個(gè)map填滿了75%的bucket時(shí)候，和其它集合類(lèi)(如ArrayList等)一樣，將會(huì)創(chuàng)建原來(lái)HashMap大小的兩倍的bucket數(shù)組，來(lái)重新調(diào)整map的大小，并將原來(lái)的對(duì)象放入新的bucket數(shù)組中。這個(gè)過(guò)程叫作rehashing，因?yàn)樗{(diào)用hash方法找到新的bucket位置。

如果你能夠回答這道問(wèn)題，下面的問(wèn)題來(lái)了：“你了解重新調(diào)整HashMap大小存在什么問(wèn)題嗎？”你可能回答不上來(lái)，這時(shí)面試官會(huì)提醒你當(dāng)多線程的情況下，可能產(chǎn)生條件競(jìng)爭(zhēng)(race condition)。

當(dāng)重新調(diào)整HashMap大小的時(shí)候，確實(shí)存在條件競(jìng)爭(zhēng)，因?yàn)槿绻麅蓚€(gè)線程都發(fā)現(xiàn)HashMap需要重新調(diào)整大小了，它們會(huì)同時(shí)試著調(diào)整大小。在調(diào)整大小的過(guò)程中，存儲(chǔ)在鏈表中的元素的次序會(huì)反過(guò)來(lái)，因?yàn)橐苿?dòng)到新的bucket位置的時(shí)候，HashMap并不會(huì)將元素放在鏈表的尾部，而是放在頭部，這是為了避免尾部遍歷(tail traversing)。如果條件競(jìng)爭(zhēng)發(fā)生了，那么就死循環(huán)了。這個(gè)時(shí)候，你可以質(zhì)問(wèn)面試官，為什么這么奇怪，要在多線程的環(huán)境下使用HashMap呢？：）

熱心的讀者貢獻(xiàn)了更多的關(guān)于HashMap的問(wèn)題：

為什么String, Interger這樣的wrapper類(lèi)適合作為鍵？ String, Interger這樣的wrapper類(lèi)作為HashMap的鍵是再適合不過(guò)了，而且String最為常用。因?yàn)镾tring是不可變的，也是final的，而且已經(jīng)重寫(xiě)了equals()和hashCode()方法了。其他的wrapper類(lèi)也有這個(gè)特點(diǎn)。不可變性是必要的，因?yàn)闉榱艘?jì)算hashCode()，就要防止鍵值改變，如果鍵值在放入時(shí)和獲取時(shí)返回不同的hashcode的話，那么就不能從HashMap中找到你想要的對(duì)象。不可變性還有其他的優(yōu)點(diǎn)如線程安全。如果你可以?xún)H僅通過(guò)將某個(gè)field聲明成final就能保證hashCode是不變的，那么請(qǐng)這么做吧。因?yàn)楂@取對(duì)象的時(shí)候要用到equals()和hashCode()方法，那么鍵對(duì)象正確的重寫(xiě)這兩個(gè)方法是非常重要的。如果兩個(gè)不相等的對(duì)象返回不同的hashcode的話，那么碰撞的幾率就會(huì)小些，這樣就能提高HashMap的性能。
我們可以使用自定義的對(duì)象作為鍵嗎？ 這是前一個(gè)問(wèn)題的延伸。當(dāng)然你可能使用任何對(duì)象作為鍵，只要它遵守了equals()和hashCode()方法的定義規(guī)則，并且當(dāng)對(duì)象插入到Map中之后將不會(huì)再改變了。如果這個(gè)自定義對(duì)象時(shí)不可變的，那么它已經(jīng)滿足了作為鍵的條件，因?yàn)楫?dāng)它創(chuàng)建之后就已經(jīng)不能改變了。
我們可以使用CocurrentHashMap來(lái)代替Hashtable嗎？這是另外一個(gè)很熱門(mén)的面試題，因?yàn)镃oncurrentHashMap越來(lái)越多人用了。我們知道Hashtable是synchronized的，但是ConcurrentHashMap同步性能更好，因?yàn)樗鼉H僅根據(jù)同步級(jí)別對(duì)map的一部分進(jìn)行上鎖。ConcurrentHashMap當(dāng)然可以代替HashTable，但是HashTable提供更強(qiáng)的線程安全性。看看這篇博客查看Hashtable和ConcurrentHashMap的區(qū)別。
我個(gè)人很喜歡這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)檫@個(gè)問(wèn)題的深度和廣度，也不直接的涉及到不同的概念。讓我們?cè)賮?lái)看看這些問(wèn)題設(shè)計(jì)哪些知識(shí)點(diǎn)：

hashing的概念
HashMap中解決碰撞的方法
equals()和hashCode()的應(yīng)用，以及它們?cè)贖ashMap中的重要性
不可變對(duì)象的好處
HashMap多線程的條件競(jìng)爭(zhēng)
重新調(diào)整HashMap的大小
總結(jié)
HashMap的工作原理
HashMap基于hashing原理，我們通過(guò)put()和get()方法儲(chǔ)存和獲取對(duì)象。當(dāng)我們將鍵值對(duì)傳遞給put()方法時(shí)，它調(diào)用鍵對(duì)象的hashCode()方法來(lái)計(jì)算hashcode，讓后找到bucket位置來(lái)儲(chǔ)存值對(duì)象。當(dāng)獲取對(duì)象時(shí)，通過(guò)鍵對(duì)象的equals()方法找到正確的鍵值對(duì)，然后返回值對(duì)象。HashMap使用鏈表來(lái)解決碰撞問(wèn)題，當(dāng)發(fā)生碰撞了，對(duì)象將會(huì)儲(chǔ)存在鏈表的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)中。 HashMap在每個(gè)鏈表節(jié)點(diǎn)中儲(chǔ)存鍵值對(duì)對(duì)象。