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  • 十个问题带你了解和掌握java HashMap

    十个问题带你了解和掌握java HashMap

    一、前言

    本篇内容是源于 “ 由阿里巴巴Java开发规约HashMap条目引发的故事”,并在此基础上加了自己的对HashMap更多的思考认识和整理。并且作为一名java开发工程师,应该是要了解和掌握的这些知识!

    • 在《阿里巴巴java开发规约中》提到:

    【推荐】集合初始化时,指定集合初始值大小。
    说明:HashMap使用如下构造方法进行初始化,如果暂时无法确定集合大小,那么指定默认值(16)即可!

    在进行本篇的阅读之前,首先请你花三分钟时间,思考面关于HashMap的十个问题,带着问题去阅读内容效果更好!
    问题如下:

    1.HashMap 是什么,实现原理?
    2.HashMap 默认bucket(桶)数组多大?(上面已经给出),最大容量是多少?
    3.如果new HashMap<>(19),bucket数组多大?
    4.HashMap 什么时候开辟bucket数组占用内存?
    5.HashMap 何时扩容?
    6.为什么String, Interger这样的包装类类适合作为HashMap的key(键)呢?
    7.如果用自定义对象当做hashmap的key进行存储要注意什么?
    8.当两个对象的hashcode相同会发生什么(如何解决hash冲突)?如果两个键的hashcode相同,你如何获取值对象?
    9.HashMap 和 ConcurrentHashMap的区别?
    10.jdk1.7和jdk1.8中HashMap的实现有哪些区别?
    

    二:HashMap相关知识的整理和简单介绍

    HashMap是基于哈希表的Map实现的,一个Key对应一个Value,允许使用null键和null值,不保证映射的顺序,特别是它不保证该顺序恒久不变!是非线程安全的的。

    其中 “不保证映射的顺序,特别是它不保证该顺序恒久不变” 如何理解?

    
    当哈希表中的条目数超出了当前容量与负载因子的乘积( Capacity * LoadFactor)时的时候,哈希表进行rehash操作(即重建内部数据结构),此时映射顺序可能会被打乱!
    

    1.HashMap 是什么,实现原理?

    HashMap是一个存储key和value的集合,一个key对应一个value,实现原理是使用hash算法通过对key进行hash后存储哈希表(也称为哈希数组)中,哈希表(哈希数组)的每个元素都是一个单链表的头节点,链表是用来解决冲突的,如果不同的key映射到了数组的同一位置处,就将其放入单链表中。

    如果容量不足(超过了阀值)时,同样会自动增长

    看下图(jDK1.7):
    这里写图片描述

    其中哈希表(哈希数组)和 单链表的节点元素

    2.HashMap 默认bucket(桶)数组多大?(上面已经给出),最大容量是多少?

     // 默认的初始容量(容量为HashMap中槽的数目)是16,且实际容量必须是2的整数次幂。    
    	static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16  Capacity
    	 // 默认加载因子为0.75   
    	static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;  LoadFactor
    	public HashMap() {
            this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
        }
    
    	// 最大容量(必须是2的幂且小于2的30次方,传入容量过大将被这个值替换)  
    	static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; 
    

    总结: 默认值初始值为16,最大值2 的30次方。

    3.如果new HashMap<>(19),bucket数组多大?

    HashMap 的 bucket 数组大小一定是2的幂,如果 new 的时候指定了容量且不是2的幂,
    实际容量会是最接近(大于)指定容量的2的幂,比如 new HashMap<>(19),比19大且最接近的2的幂是32,实际容量就是32。

    //jdk1.7
    	private void inflateTable(int toSize) {
            // Find a power of 2 >= toSize,  2的幂 >= toSize
            int capacity = roundUpToPowerOf2(toSize); //计算一定为2的幂
    
            threshold = (int) Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
            table = new Entry[capacity];
            initHashSeedAsNeeded(capacity);
        }
    

    4.HashMap 什么时候开辟bucket数组占用内存?

    HashMap 在 new 后并不会立即分配bucket数组,而是第一次 put 时初始化**使用resize() 函数进行分配。(类似 ArrayList 在第一次 add 时分配空间)

    5.HashMap 何时扩容?

    数据 put 后,如果数据量超过threshold( Capacity * LoadFactor ),就要resize!

    //jdk1.7
    	void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    		//每次加入键值对时,都要判断当前已用的size是否大于等于threshold(阀值),如果大于等于,则进行扩容,将容量扩为原来容量的2倍。
            if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
                resize(2 * table.length);
                hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
                bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
            }
    
            createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
        }
    
    

    resize()方法进行扩容,扩容是一个相当耗时的操作,因为它需要重新计算这些元素在新的数组中的位置并进行复制处理。(具体可以看源码,jdk1.8进行相应的优化)
    在用HashMap的时,如果能提前预估下HashMap中元素的个数,这样有助于提高HashMap的性能。

    6.为什么String, Interger这样的包装类类适合作为HashMap的key(键)呢?

    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。

    7.如果用自定义对象当做hashmap的key进行存储要注意什么?

    这是问题6的延伸。如果一个自定义对象做为key,一定要注意对象的不可变性,否则可能导致存入Map中的数据无法取出,造成内存泄漏!

    (1).要注意这个对象是否为可变对象。

    (2).一定要重写hashcode方法和equals方法,因为在HashMap的源代码里面,是先比较HashCode是否相等,同时要满足引用相等或者equals相等。

    可参考:危险!在HashMap中将可变对象用作Key

    8.当两个对象的hashcode相同会发生什么(如何解决hash冲突)?如果两个键的hashcode相同,你如何获取值对象?

    两个对象hashcode相同,它们在的哈希bucket中找到了相同位置,会发生“碰撞”。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。可以参考问题1中的图!

    当我们调用get()方法,HashMap会使用key的hashcode找到bucket位置,然后发现两个对象存储在一个哈希bucket中,找到bucket位置之后,会调用key.equals()方法去找到链表中正确的节点,最终找到要找的值对象。

    9.HashMap 和 ConcurrentHashMap的区别?

    说简单点就是HashMap是线程不安全的,单线程情况下使用;而ConcurrentHashMap是线程安全的,多线程使用!

    可以使用 Collections.synchronizedMap(new HashMap<String, Integer>());将HashMap封装成线程安全的,其内部实现原理是使用了关键字synchronized。

    10.jdk1.7和jdk1.8中HashMap的实现有哪些区别?

    jdk1.7和jdk1.8的区别还是很多,下面介绍两个!
    (1):存储结构
    如图(jDK1.8)

    这里写图片描述

    jdk1.7 :static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    
     jdk1.8 :static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    
     jdk7内部使用使用Entry<K,V>而jdk1.8内部使用Node<K,V>,都是实现Map.Entry<K,V> ,最主要的区别就是列表长度大于8时转为红黑树!
    

    在JDK1.7版本中.不管负载因子和Hash算法设计的再合理,也免不了会出现拉链(单链表)过长的情况,一旦出现拉链(单链表)过长,会严重影响HashMap的性能。

    在JDK1.8版本中,对数据结构做了进一步的优化,引入了红黑树。而当链表长度太长(默认超过8)时,链表就转换为红黑树,利用红黑树快速增删改查的特点提高HashMap的性能,其中会用到红黑树的插入、删除、查找等算法。本文不再对红黑树展开讨论,
    想了解更多红黑树数据结构的工作原理可以参考 红黑树数据结构的工作原理

    总结:

    JDK7 中的 HashMap 采用数组+链表的结构来存储数据。

    JDK8 中的 HashMap 采用数组+链表或红黑树的结构来存储数据。

    (2):一些操作方法的优化如resize
    resize()用来第一次初始化,或者 put 之后数据超过了threshold(Capacity * LoadFactor)后扩容,这里具体不贴代码了,大概说明一下!

    jdk1.7 直接扩容两倍,table.length * 2; 源码中使用resize(2 * table.length);

    jdk1.8 优化数组下标计算: index = (table.length - 1) & hash ,由于 table.length 也就是capacity 肯定是2的N次方,使用 & 位运算意味着只是多了最高位, 这样就不用重新计算 index,元素要么在原位置,要么在原位置+ oldCapacity

    如果上面内容哪里有问题欢迎指出!或者你对上面的内容有自己的认识和理解也欢迎评论,希望互相沟通,共同成长!谢谢!

    三:参考的博文

    由阿里巴巴Java开发规约HashMap条目引发的故事
    java集合系列——Map之HashMap介绍(八)
    HashMap的工作原理
    http://blog.csdn.net/ns_code/article/details/36034955
    Java8系列之重新认识HashMap

    四:更多知识学习

    最后在推广一个我整理的java知识点,目录如下!有兴趣的可以点击阅读阅读一下!
    java的线程安全、单例模式、JVM内存结构等知识学习和整理

    这里写图片描述


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