HashMap 常见面试题及其答案整理

以下是关于 HashMap 的常见面试题及其答案整理，涵盖底层原理、使用场景和优化技巧

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1. HashMap 的底层数据结构是什么？

• 答案：
  JDK 1.8 之前：数组 + 链表（链表解决哈希冲突）。
  JDK 1.8 及之后：数组 + 链表/红黑树（当链表长度 ≥8 且数组长度 ≥64 时，链表转为红黑树，提高查询效率）。

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2. HashMap 的工作原理（put/get 过程）？

put 过程：

1. 计算键的哈希值：hash(key) = (key == null) ? 0 : key.hashCode() ^ (hashCode >>> 16)（扰动函数减少哈希冲突）。
2. 根据哈希值确定数组下标：index = (n - 1) & hash（n 为数组长度）。

3. 若该位置为空，直接插入键值对；否则遍历链表/红黑树：

   • 若键已存在，更新值；
   • 若键不存在，插入到链表尾部（或红黑树）。
4. 插入后判断是否需要扩容。

get 过程：

1. 计算键的哈希值，确定数组下标。
2. 遍历链表/红黑树，通过 equals() 方法匹配键，返回对应的值。

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3. 为什么 HashMap 线程不安全？

• 原因：

  • 多线程扩容：扩容时链表可能形成环形结构，导致 get() 死循环（JDK 1.7 问题，1.8 已优化）。
  • 数据覆盖：多线程同时插入且哈希冲突时，可能覆盖已存在的键值对。
  • 可见性问题：未使用同步机制，修改对其他线程不可见。

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4. HashMap 的哈希冲突如何解决？

• 拉链法（链地址法）：将冲突的键值对存储在链表或红黑树中。
• 开放寻址法：HashMap 未使用，但其他类（如 ThreadLocal）可能采用。

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5. 为什么链表长度超过 8 会转为红黑树？

• 设计依据：根据泊松分布，哈希冲突时链表长度达到 8 的概率极低（约 1/千万次），此时转为红黑树可平衡查询效率与树化成本。
• 退化条件：当红黑树节点数 ≤6 时，退化为链表。

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6. HashMap 的初始容量、负载因子与扩容机制？

• 默认初始容量：16。
• 负载因子（Load Factor）：默认 0.75（平衡时间与空间开销）。
• 扩容条件：当元素数量 > 容量 × 负载因子时，扩容为原来的 2 倍。

• 扩容过程：

  1. 创建新数组（容量翻倍）。
  2. 重新计算键的哈希并分配到新位置（JDK 1.8 优化：链表节点保持原顺序，避免环形链表）。

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7. HashMap 允许键/值为 null，而 ConcurrentHashMap 不允许？

• HashMap：设计为单线程使用，允许 null 键值简化代码逻辑（例如表示“无值”）。
• ConcurrentHashMap：多线程场景下，null 可能导致歧义（无法区分“键不存在”和“键存在但值为 null”）。

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8. HashMap 与 Hashtable 的区别？

特性	HashMap	Hashtable
线程安全	否	是（方法用 synchronized 修饰）
null 键/值	允许	禁止
初始容量	16	11
扩容机制	2 倍	2 倍 +1
哈希计算	扰动函数优化哈希分布	直接使用 key.hashCode()

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9. 如何设计一个高效的键类型（如自定义对象作为 Key）？

• 重写 hashCode() 和 equals()：确保哈希分布均匀且相等对象返回相同哈希。

• 示例：

  @Override
  public int hashCode() {
      return Objects.hash(id, name); // 使用工具类生成复合哈希
  }
  
  @Override
  public boolean equals(Object obj) {
      if (this == obj) return true;
      if (obj == null || getClass() != obj.getClass()) return false;
      MyKey other = (MyKey) obj;
      return id == other.id && Objects.equals(name, other.name);
  }

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10. 如何解决 HashMap 的多线程问题？

• 方案：

  1. 使用 ConcurrentHashMap：分段锁（JDK 1.7）或 CAS + synchronized（JDK 1.8+）。
  2. Collections.synchronizedMap()：包装 HashMap，但性能较低。
  3. 避免在多线程中直接操作 HashMap。

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11. HashMap 的遍历方式有哪些？

• EntrySet 遍历：效率最高（直接获取键值对）。

  for (Map.Entry<String, Integer> entry : map.entrySet()) {
      String key = entry.getKey();
      int value = entry.getValue();
  }

• KeySet 遍历：需额外调用 get()，可能触发多次哈希计算。

• Lambda 表达式（Java 8+）：

  map.forEach((k, v) -> System.out.println(k + ": " + v));

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总结

1. 数据结构与红黑树转换。
2. 哈希冲突解决与扩容机制。
3. 线程安全与替代方案。
4. hashCode() 与 equals() 的设计。
5. JDK 1.7 与 1.8 的差异（如头插法改尾插法、树化优化）。