杨晓峰-Java核心技术-9 HashMap Hashtable TreeMap MD

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杨晓峰-Java核心技术-9 HashMap Hashtable TreeMap MD

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• 第9讲 | 对比Hashtable、HashMap、TreeMap有什么不同？
  • 典型回答
  • 考点分析
  • 知识扩展
    • Map 整体结构
    • 有序 Map
    • HashMap 源码分析
    • 容量、负载因子和树化
  • 精选留言

第9讲 | 对比Hashtable、HashMap、TreeMap有什么不同？

Map 是广义 Java 集合框架中的另外一部分，HashMap 作为框架中使用频率最高的类型之一，它本身以及相关类型自然也是面试考察的热点。

今天我要问你的问题是，对比 Hashtable、HashMap、TreeMap 有什么不同？谈谈你对 HashMap 的掌握。

典型回答

Hashtable、HashMap、TreeMap 都是最常见的一些 Map 实现，是以键值对的形式存储和操作数据的容器类型。

• Hashtable 是早期 Java 类库提供的一个哈希表实现，本身是同步的，不支持 null 键和值，由于同步导致的性能开销，所以已经很少被推荐使用。
• HashMap 是应用更加广泛的哈希表实现，行为上大致上与 HashTable 一致，主要区别在于 HashMap 不是同步的，支持 null 键和值等。通常情况下，HashMap 进行 put 或者 get 操作，可以达到常数时间的性能(时间复杂度为O(1))，所以它是绝大部分利用键值对存取场景的首选，比如，实现一个用户 ID 和用户信息对应的运行时存储结构。
• TreeMap 则是基于红黑树的一种提供顺序访问的 Map，和 HashMap 不同，它的 get、put、remove 之类操作都是 O(log(n))的时间复杂度，具体顺序可以由指定的 Comparator 来决定，或者根据键的自然顺序来判断。

考点分析

上面的回答，只是对一些基本特征的简单总结，针对 Map 相关可以扩展的问题很多，从各种数据结构、典型应用场景，到程序设计实现的技术考量，尤其是在 Java 8 里，HashMap 本身发生了非常大的变化，这些都是经常考察的方面。

很多朋友向我反馈，面试官似乎钟爱考察 HashMap 的设计和实现细节，所以今天我会增加相应的源码解读，主要专注于下面几个方面：

• 理解 Map 相关类的整体结构，尤其是有序数据结构的一些要点。
• 从源码去分析 HashMap 的设计和实现要点，理解容量、负载因子等，为什么需要这些参数，如何影响 Map 的性能，实践中如何取舍等。
• 理解树化改造的相关原理和改进原因。

除了典型的代码分析，还有一些有意思的并发相关问题也经常会被提到，如 HashMap 在并发环境可能出现无限循环占用 CPU、size 不准确等诡异的问题。

我认为这是一种典型的使用错误，因为 HashMap 明确声明不是线程安全的数据结构，如果忽略这一点，简单用在多线程场景里，难免会出现问题。

理解导致这种错误的原因，也是深入理解并发程序运行的好办法。对于具体发生了什么，你可以参考这篇很久以前的分析，里面甚至提供了示意图，我就不再重复别人写好的内容了。

知识扩展

Map 整体结构

首先，我们先对 Map 相关类型有个整体了解，Map 虽然通常被包括在 Java 集合框架里，但是其本身并不是狭义上的集合类型（Collection），具体你可以参考下面这个简单类图。

Hashtable 比较特别，作为类似 Vector、Stack 的早期集合相关类型，它是扩展了 Dictionary 类的，类结构上与 HashMap 之类明显不同。

HashMap 等其他 Map 实现则是都扩展了 AbstractMap，里面包含了通用方法抽象。不同 Map 的用途，从类图结构就能体现出来，设计目的已经体现在不同接口上。

大部分使用 Map 的场景，通常就是放入、访问或者删除，而对顺序没有特别要求，HashMap 在这种情况下基本是最好的选择。HashMap 的性能表现非常依赖于哈希码的有效性，请务必掌握 hashCode 和 equals 的一些基本约定，比如：

• equals 相等，hashCode 一定要相等。
• 重写了 hashCode 也要重写 equals。
• hashCode 需要保持一致性，状态改变返回的哈希值仍然要一致。
• equals 的对称、反射、传递等特性。

这方面内容网上有很多资料，我就不在这里详细展开了。

有序 Map

针对有序 Map 的分析内容比较有限，我再补充一些，虽然 LinkedHashMap 和 TreeMap 都可以保证某种顺序，但二者还是非常不同的。

LinkedHashMap 通常提供的是遍历顺序符合插入顺序(而非键的顺序)，它的实现是通过为条目(键值对，而非键)维护一个双向链表。注意，通过特定构造函数，我们可以创建反映访问顺序的实例，所谓的 put、get、compute 等，都算作访问。

这种行为适用于一些特定应用场景，例如，我们构建一个空间占用敏感的资源池，希望可以自动将最不常被访问的对象释放掉(例如LRU算法)，这就可以利用 LinkedHashMap 提供的机制来实现。

/**
 * Constructs an empty LinkedHashMap instance with the specified initial capacity, load factor and ordering mode.
 *
 * @param  initialCapacity the initial capacity
 * @param  loadFactor      the load factor
 * @param  accessOrder     the ordering mode - true for access-order, false for insertion-order
 * @throws IllegalArgumentException if the initial capacity is negative or the load factor is nonpositive
 */
public LinkedHashMap(int initialCapacity, float loadFactor, boolean accessOrder) {
    super(initialCapacity, loadFactor);
    this.accessOrder = accessOrder;
}

参考示例：

public class LinkedHashMapSample {
    public static void main(String[] args) {
        LinkedHashMap<String, String> accessOrderedMap = new LinkedHashMap<>(16, 0.75F, true){
            @Override
            protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<String, String> eldest) {
                return size() > 3; // 实现自定义删除策略，否则行为就和普遍 Map 没有区别
            }
        };
        // 模拟添加
        accessOrderedMap.put("Project1", "Valhalla");
        accessOrderedMap.put("Project2", "Panama");
        accessOrderedMap.put("Project3", "Loom");
        accessOrderedMap.forEach((k,v) -> System.out.println(k +":" + v));
        // 模拟访问
        accessOrderedMap.get("Project2");
        accessOrderedMap.get("Project2");
        accessOrderedMap.get("Project3");
        System.out.println("Iterate over should be not affected:");
        accessOrderedMap.forEach((k,v) -> System.out.println(k +":" + v));
        // 触发删除
        accessOrderedMap.put("Project4", "Mission Control");
        System.out.println("Oldest entry should be removed:");
        accessOrderedMap.forEach((k,v) -> System.out.println(k +":" + v)); //遍历顺序不变
    }
}

对于 TreeMap，它的整体顺序是由键的顺序关系(仅和键有关)决定的，通过 Comparator 或 Comparable(自然顺序)来决定。

我在上一讲留给你的思考题提到了，构建一个具有优先级的调度系统的问题，其本质就是个典型的优先队列场景，Java 标准库提供了基于二叉堆实现的 PriorityQueue，它们都是依赖于同一种排序机制，当然也包括 TreeMap 的马甲 TreeSet。

类似 hashCode 和 equals 的约定，为了避免模棱两可的情况，自然顺序同样需要符合一个约定，就是 compareTo 的返回值需要和 equals 一致，否则就会出现模棱两可情况。

如果不遵守约定，两个不符合唯一性（equals）要求的对象被当作是同一个（因为，compareTo 返回 0），这会导致歧义的行为表现。

HashMap 源码分析

前面提到，HashMap 设计与实现是个非常高频的面试题，所以我会在这进行相对详细的源码解读，主要围绕：

• HashMap 内部实现基本点分析。
• 容量（capacity）和负载系数（load factor）。
• 树化 。

首先，我们来一起看看 HashMap 内部的结构，它可以看作是数组（Node<K,V>[] table）和链表结合组成的复合结构，数组被分为一个个桶(bucket)，通过哈希值决定了键值对在这个数组的寻址；哈希值相同的键值对，则以链表形式存储，你可以参考下面的示意图。这里需要注意的是，如果链表大小超过阈值（TREEIFY_THRESHOLD, 8），图中的链表就会被改造为树形结构。

注意：实际上，决定键值对在数组中位置的不是键的哈希值，更不是键值对的哈希值，而是以键的哈希值为基础经过固定算法再计算后的新的哈希值。

从构造函数的实现来看，这个表格（数组）并没有在最初就初始化好，仅仅设置了一些初始值而已。

public HashMap() {
    //Constructs an empty HashMap with the default initial capacity (16) and the default load factor (0.75).
    this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}

public HashMap(int initialCapacity) {
    //Constructs an empty HashMap with the specified initial capacity and the default load factor (0.75).
    this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor){  
    // ... 判断值是否合法
    this.loadFactor = loadFactor;
    this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}

//Returns a power of two size for the given target capacity.
static final int tableSizeFor(int cap) {
    int n = cap - 1;
    n |= n >>> 1;
    n |= n >>> 2;
    n |= n >>> 4;
    n |= n >>> 8;
    n |= n >>> 16;
    return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}

所以 HashMap 是按照 lazy-load 原则，在首次使用时被初始化（拷贝构造函数除外，我这里仅介绍最通用的场景）。既然如此，我们去看看 put 方法实现：

/**
 * Associates the specified value with the specified key in this map.
 * If the map previously contained a mapping for the key, the old value is replaced.
 *
 * @param key key with which the specified value is to be associated
 * @param value value to be associated with the specified key
 * @return the previous value associated with key, or null if there was no mapping for key.
 *         (A null return can also indicate that the map previously associated null with key.)
 */
public V put(K key, V value) {
    return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}

为了节省空间，我这里只截取了 putVal 比较关键的几部分：

/**
 * Implements Map.put and related methods
 *
 * @param hash hash for key
 * @param key the key
 * @param value the value to put
 * @param onlyIfAbsent if true, don't change existing value
 * @param evict if false, the table is in creation mode.
 * @return previous value, or null if none
 */
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbent, boolean evit) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int , i;
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) = 0) n = (tab = resize()).length; //初始化
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == ull) tab[i] = newNode(hash, key, value, nll); //放置新的键值对
    else {
        // ...
        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) treeifyBin(tab, hash); //树化
        //  ... 
     }
    //...
     if (++size > threshold) resize(); //扩容
    //...
}

从 putVal 方法最初的几行，我们就可以发现几个有意思的地方：

• 如果表格是 null，resize 方法会负责初始化它，这从 tab = resize() 可以看出。
• resize 方法兼顾两个职责，创建初始存储表格，或者在容量不满足需求的时候，进行扩容。
• 在放置新的键值对的过程中，如果发生下面条件，就会发生扩容：if (++size > threshold) resize();
• 具体键值对在哈希表中的位置（数组 index）取决于下面的位运算：i = (n - 1) & hash

仔细观察哈希值的源头，我们会发现，它并不是 key 本身的 hashCode，而是来自于 HashMap 内部的另外一个 hash 方法。注意，为什么这里需要将高位数据移位到低位进行异或运算呢？这是因为有些数据计算出的哈希值差异主要在高位，而 HashMap 里的哈希寻址是忽略容量以上的高位的，那么这种处理就可以有效避免类似情况下的哈希碰撞。

static final int hash(Object kye) {
    int h;
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>>16);
}

我前面提到的链表结构（这里叫 bin），会在达到一定门限值时，发生树化，我稍后会分析为什么 HashMap 需要对 bin 进行处理。

可以看到，putVal 方法本身逻辑非常集中，从初始化、扩容到树化，全部都和它有关，推荐你阅读源码的时候，可以参考上面的主要逻辑。

我进一步分析一下身兼多职的 resize 方法，很多朋友都反馈经常被面试官追问它的源码设计。

final Node<K,V>[] resize() {
    // ...
    else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACIY && oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPAITY)
        newThr = oldThr << 1; // double there
       // ... 
    else if (oldThr > 0) newCap = oldThr; // initial capacity was placed in threshold
    else {  
        // zero initial threshold signifies using defaultsfults
        newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPAITY;
        newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_ATOR* DEFAULT_INITIAL_CAPACITY；
    }
    if (newThr ==0) {
        float ft = (float)newCap * loadFator;
        newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?(int)ft : Integer.MAX_VALUE);
    }
    threshold = neThr;
    Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newap];
    table = n；
    // 移动到新的数组结构 e 数组结构 
}

依据 resize 源码，不考虑极端情况（容量理论最大极限由 MAXIMUM_CAPACITY 指定，数值为 1<<30，也就是 2 的 30 次方），我们可以归纳为：

• 门限值等于负载因子x容量，如果构建 HashMap 的时候没有指定它们，那么就是依据相应的默认常量值。
• 门限通常是以倍数进行调整，我前面提到，根据 putVal 中的逻辑，当元素个数超过门限大小时，则调整 Map 大小。
• 扩容后，需要将老的数组中的元素重新放置到新的数组，这是扩容的一个主要开销来源。

容量、负载因子和树化

前面我们快速梳理了一下 HashMap 从创建到放入键值对的相关逻辑，现在思考一下，为什么我们需要在乎容量和负载因子呢？

这是因为容量和负载系数决定了可用的桶的数量，空桶太多会浪费空间，如果使用的太满则会严重影响操作的性能。极端情况下，假设只有一个桶，那么它就退化成了链表，完全不能提供所谓常数时间存的性能。

既然容量和负载因子这么重要，我们在实践中应该如何选择呢？

如果能够知道 HashMap 要存取的键值对数量，可以考虑预先设置合适的容量大小。具体数值我们可以根据扩容发生的条件来做简单预估，根据前面的代码分析，我们知道它需要符合计算条件：

负载因子 * 容量 > 元素数量

所以，预先设置的容量需要满足，大于预估元素数量 / 负载因子，同时它是 2 的幂数，结论已经非常清晰了。

而对于负载因子，我建议：

• 如果没有特别需求，不要轻易进行更改，因为 JDK 自身的默认负载因子是非常符合通用场景的需求的。
• 如果确实需要调整，建议不要设置超过 0.75 的数值，因为会显著增加冲突，降低 HashMap 的性能。
• 如果使用太小的负载因子，按照上面的公式，预设容量值也进行调整，否则可能会导致更加频繁的扩容，增加无谓的开销，本身访问性能也会受影响。

我们前面提到了树化改造，对应逻辑主要在 putVal 和 treeifyBin 中。

final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {
    int n, index; Node<K,V> e;
    if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY) resize();
    else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
        // 树化改造逻辑
    }
}

上面是精简过的 treeifyBin 示意，综合这两个方法，树化改造的逻辑就非常清晰了，可以理解为，当 bin 的数量大于 TREEIFY_THRESHOLD 时：

• 如果容量小于 MIN_TREEIFY_CAPACITY，只会进行简单的扩容。
• 如果容量大于 MIN_TREEIFY_CAPACITY ，则会进行树化改造。

那么，为什么 HashMap 要树化呢？

本质上这是个安全问题。因为在元素放置过程中，如果一个对象哈希冲突，都被放置到同一个桶里，则会形成一个链表，我们知道链表查询是线性的，会严重影响存取的性能。

而在现实世界，构造哈希冲突的数据并不是非常复杂的事情，恶意代码就可以利用这些数据大量与服务器端交互，导致服务器端 CPU 大量占用，这就构成了哈希碰撞拒绝服务攻击，国内一线互联网公司就发生过类似攻击事件。

今天我从 Map 相关的几种实现对比，对各种 Map 进行了分析，讲解了有序集合类型容易混淆的地方，并从源码级别分析了 HashMap 的基本结构，希望对你有所帮助。

精选留言

解决哈希冲突的常用方法有：

开放定址法
基本思想是：当关键字key的哈希地址p=H（key）出现冲突时，以p为基础，产生另一个哈希地址p1，如果p1仍然冲突，再以p为基础，产生另一个哈希地址p2，…，直到找出一个不冲突的哈希地址pi ，将相应元素存入其中。

再哈希法
这种方法是同时构造多个不同的哈希函数：
Hi=RH1（key） i=1，2，…，k
当哈希地址Hi=RH1（key）发生冲突时，再计算Hi=RH2（key）……，直到冲突不再产生。这种方法不易产生聚集，但增加了计算时间。

链地址法
这种方法的基本思想是将所有哈希地址为i的元素构成一个称为同义词链的单链表，并将单链表的头指针存在哈希表的第i个单元中，因而查找、插入和删除主要在同义词链中进行。链地址法适用于经常进行插入和删除的情况。

建立公共溢出区
这种方法的基本思想是：将哈希表分为基本表和溢出表两部分，凡是和基本表发生冲突的元素，一律填入溢出表。

线行探查法
线行探查法是开放定址法中最简单的冲突处理方法，它从发生冲突的单元起，依次判断下一个单元是否为空，当达到最后一个单元时，再从表首依次判断。直到碰到空闲的单元或者探查完全部单元为止。

平方探查法
平方探查法即是发生冲突时，用发生冲突的单元d[i], 加上 1²、 2²等。即d[i] + 1²，d[i] + 2², d[i] + 3²...直到找到空闲单元。
在实际操作中，平方探查法不能探查到全部剩余的单元。不过在实际应用中，能探查到一半单元也就可以了。若探查到一半单元仍找不到一个空闲单元，表明此散列表太满，应该重新建立。

双散列函数探查法
这种方法使用两个散列函数hl和h2。其中hl和前面的h一样，以关键字为自变量，产生一个0至m—l之间的数作为散列地址；h2也以关键字为自变量，产生一个l至m—1之间的、并和m互素的数(即m不能被该数整除)作为探查序列的地址增量(即步长)，探查序列的步长值是固定值l；对于平方探查法，探查序列的步长值是探查次数i的两倍减l；对于双散列函数探查法，其探查序列的步长值是同一关键字的另一散列函数的值。

2018-12-18