HashMap 的工作原理是近年来常见的 Java 面试题。几乎每个 Java 程序员都知道 HashMap,都知道哪里要用 HashMap,知道Hashtable和HashMap之间的区别,那么为何这道面试题如此特殊呢?是因为这道题考察的深度很深。这题经常出现在高级或中高级面试中。投资银行更喜欢问这个问题,甚至会要求你实现 HashMap 来考察你的编程能力。ConcurrentHashMap
和其它同步集合的引入让这道题变得更加复杂。让我们开始探索的旅程吧!
先来些简单的问题
“你用过 HashMap 吗?” “什么是 HashMap?你为什么用到它?”
几乎每个人都会回答"是的”,然后回答 HashMap 的一些特性,譬如 HashMap 可以接受 null
键值和值,而Hashtable
则不能;HashMap 是非synchronized
; HashMap 很快;以及HashMap 储存的是键值对等等。这显示出你已经用过 HashMap ,而且对它相当的熟悉。但是面试官来个急转直下,从此刻开始问出一些刁钻的问题,关于 HashMap 的更多基础的细节。面试官可能会问出下面的问题:
“你知道 HashMap 的工作原理吗?” “你知道 HashMap 的get()
方法的工作原理吗?”
你也许会回答“我没有详查标准的Java API,你可以看看Java源代码或者Open JDK。”“我可以用Google找到答案。”
但一些面试者可能可以给出答案,“ HashMap 是基于hashing
的原理,我们使用put(key, value)
存储对象到HashMap中,使用get(key)
从 HashMap 中获取对象。当我们给put()
方法传递键和值时,我们先对键调用hashCode()
方法,返回的hashCode
用于找到bucket
位置来储存Entry
对象。”这里关键点在于指出, HashMap 是在bucket
中储存键对象和值对象,作为Map.Entry
。这一点有助于理解获取对象的逻辑。如果你没有意识到这一点,或者错误的认为仅仅只在bucket
中存储值的话,你将不会回答如何从 HashMap 中获取对象的逻辑。这个答案相当的正确,也显示出面试者确实知道hashing以及HashMap的工作原理。但是这仅仅是故事的开始,当面试官加入一些Java程序员每天要碰到的实际场景的时候,错误的答案频现。下个问题可能是关于HashMap中的碰撞探测(collision detection)以及碰撞的解决方法:
“当两个对象的hashcode
相同会发生什么?” 从这里开始,真正的困惑开始了,一些面试者会回答因为hashcode
相同,所以两个对象是相等的,HashMap 将会抛出异常,或者不会存储它们。然后面试官可能会提醒他们有 equals()
和hashCode()
两个方法,并告诉他们两个对象就算hashcode
相同,但是它们可能并不相等。一些面试者可能就此放弃,而另外一些还能继续挺进,他们回答“因为 hashcode 相同,所以它们的bucket
位置相同,‘碰撞’会发生。因为HashMap使用链表存储对象,这个Entry
(包含有键值对的Map.Entry
对象)会存储在链表中。”这个答案非常的合理,虽然有很多种处理碰撞的方法,这种方法是最简单的,也正是 HashMap 的处理方法。但故事还没有完结,面试官会继续问:
“如果两个键的hashcode
相同,你如何获取值对象?” 面试者会回答:当我们调用get()
方法,HashMap会使用键对象的hashcode
找到bucket
位置,然后获取值对象。面试官提醒他如果有两个值对象储存在同一个bucket
,他给出答案:将会遍历链表直到找到值对象。面试官会问因为你并没有值对象去比较,你是如何确定确定找到值对象的?除非面试者直到HashMap在链表中存储的是键值对,否则他们不可能回答出这一题。
其中一些记得这个重要知识点的面试者会说,找到bucket
位置之后,会调用keys.equals()
方法去找到链表中正确的节点,最终找到要找的值对象。完美的答案!
许多情况下,面试者会在这个环节中出错,因为他们混淆了hashCode()
和equals()
方法。因为在此之前hashCode()
屡屡出现,而equals()
方法仅仅在获取值对象的时候才出现。一些优秀的开发者会指出使用不可变的、声明作final
的对象,并且采用合适的equals()
和hashCode()
方法的话,将会减少碰撞的发生,提高效率。不可变性使得能够缓存不同键的hashcode,这将提高整个获取对象的速度,使用String
,Interger
这样的wrapper
类作为键是非常好的选择。
如果你认为到这里已经完结了,那么听到下面这个问题的时候,你会大吃一惊。“如果HashMap的大小超过了负载因子(load factor)定义的容量,怎么办?”除非你真正知道HashMap的工作原理,否则你将回答不出这道题。默认的负载因子大小为0.75
,也就是说,当一个map填满了75%的bucket
时候,和其它集合类(如ArrayList等)一样,将会创建原来HashMap大小的两倍的bucket
数组,来重新调整map的大小,并将原来的对象放入新的bucket
数组中。这个过程叫作rehashing
,因为它调用hash方法找到新的bucket位置。
如果你能够回答这道问题,下面的问题来了:“你了解重新调整HashMap大小存在什么问题吗?”你可能回答不上来,这时面试官会提醒你当多线程的情况下,可能产生条件竞争(race condition)。
当重新调整HashMap大小的时候,确实存在条件竞争,因为如果两个线程都发现HashMap需要重新调整大小了,它们会同时试着调整大小。在调整大小的过程中,存储在链表中的元素的次序会反过来,因为移动到新的bucket
位置的时候,HashMap并不会将元素放在链表的尾部,而是放在头部,这是为了避免尾部遍历(tail traversing)。如果条件竞争发生了,那么就死循环了。这个时候,你可以质问面试官,为什么这么奇怪,要在多线程的环境下使用HashMap呢?:)
热心的读者贡献了更多的关于HashMap的问题:
为什么String, Interger这样的wrapper类适合作为键? String, Interger这样的wrapper
类作为HashMap的键是再适合不过了,而且String最为常用。因为String是不可变的,也是final
的,而且已经重写了equals()
和hashCode()
方法了。其他的wrapper类也有这个特点。不可变性是必要的,因为为了要计算hashCode()
,就要防止键值改变,如果键值在放入时和获取时返回不同的hashcode
的话,那么就不能从 HashMap中找到你想要的对象。不可变性还有其他的优点如线程安全。如果你可以仅仅通过将某个field
声明成final
就能保证hashCode
是不变的,那么请这么做吧。因为获取对象的时候要用到equals()
和hashCode()
方法,那么键对象正确的重写这两个方法是非常重要的。如果两个不相等的对象返回不同的hashcode
的话,那么碰撞的几率就会小些,这样就能提高 HashMap 的性能。
我们可以使用自定义的对象作为键吗? 这是前一个问题的延伸。当然你可能使用任何对象作为键,只要它遵守了equals()
和hashCode()
方法的定义规则,并且当对象插入到Map中之后将不会再改变了。如果这个自定义对象时不可变的,那么它已经满足了作为键的条件,因为当它创建之后就已经不能改变了。
我们可以使用 CocurrentHashMap 来代替 Hashtable 吗?这是另外一个很热门的面试题,因为 ConcurrentHashMap 越来越多人用了。我们知道 Hashtable 是 synchronized
的 ,但是ConcurrentHashMap 同步性能更好,因为它仅仅根据同步级别对map的一部分进行上锁。ConcurrentHashMap当然可以代替HashTable,但是HashTable提供更强的线程安全性。看看这篇博客查看Hashtable和ConcurrentHashMap的区别。
我个人很喜欢这个问题,因为这个问题的深度和广度,也不直接的涉及到不同的概念。让我们再来看看这些问题设计哪些知识点:
- hashing的概念
- HashMap中解决碰撞的方法
- equals()和hashCode()的应用,以及它们在HashMap中的重要性
- 不可变对象的好处
- HashMap多线程的条件竞争
- 重新调整HashMap的大小
总结
HashMap的工作原理
HashMap基于hashing原理,我们通过put()和get()方法储存和获取对象。当我们将键值对传递给put()方法时,它调用键对象的hashCode()方法来计算hashcode,让后找到bucket位置来储存值对象。当获取对象时,通过键对象的equals()方法找到正确的键值对,然后返回值对象。HashMap使用链表来解决碰撞问题,当发生碰撞了,对象将会储存在链表的下一个节点中。 HashMap在每个链表节点中储存键值对对象。
当两个不同的键对象的hashcode相同时会发生什么? 它们会储存在同一个bucket位置的链表中。键对象的equals()方法用来找到键值对。
因为HashMap的好处非常多,我曾经在电子商务的应用中使用HashMap作为缓存。因为金融领域非常多的运用Java,也出于性能的考虑,我们会经常用到HashMap和ConcurrentHashMap。你可以查看更多的关于HashMap的文章:
原文:How HashMap works in Java
转载自:ImportNew.com - 唐小娟
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