?HashMap應該算是Java后端工程師面試的必問題，因為其中的知識點太多，很適合用來考察面試者的Java基礎。

面試官: 你先自我介紹一下吧！

我: 我是安琪拉，草叢三婊之一，最強中單（鐘馗不服）！哦，不對，串場了，我是**，目前在--公司做--系統開發。

面試官: 看你簡歷上寫熟悉Java集合，HashMap用過的吧？

我: 用過的。(還是熟悉的味道)

面試官: 那你跟我講講HashMap的內部數據結構？

我: 目前我用的是JDK1.8版本的，內部使用數組 + 鏈表 / 紅黑樹；

我: 方便我給您畫個數據結構圖吧：

面試官: 那你清楚HashMap的數據插入原理嗎？

我: 呃[做沉思狀]。我覺得還是應該畫個圖比較清楚，如下：

判斷數組是否為空，為空進行初始化;

不為空，計算 k 的 hash 值，通過?(n - 1) & hash計算應當存放在數組中的下標?index?;

查看 table[index] 是否存在數據，沒有數據就構造一個Node節點存放在 table[index] 中；

存在數據，說明發生了hash沖突, 繼續判斷key是否相等，相等，用新的value替換原數據(onlyIfAbsent為false)；

如果不相等，判斷當前節點類型是不是樹型節點，如果是樹型節點，創建樹型節點插入紅黑樹中；

如果不是樹型節點，創建普通Node加入鏈表中；判斷鏈表長度是否大于 8， 大于的話鏈表轉換為紅黑樹；

插入完成之后判斷當前節點數是否大于閾值，如果大于開始擴容為原數組的二倍。

面試官: 剛才你提到HashMap的初始化，那HashMap怎么設定初始容量大小的嗎？

我: [這也算問題？?] 一般如果new HashMap()?不傳值，默認大小是16，負載因子是0.75， 如果自己傳入初始大小k，初始化大小為 大于k的 2的整數次方，例如如果傳10，大小為16。（補充說明:實現代碼如下）

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; }

補充說明：下圖是詳細過程，算法就是讓初始二進制分別右移1，2，4，8，16位，與自己異或，把高位第一個為1的數通過不斷右移，把高位為1的后面全變為1，111111 + 1 = 1000000 ?=??（符合大于50并且是2的整數次冪 ）

面試官: ?你提到hash函數，你知道HashMap的哈希函數怎么設計的嗎？

我: ?[問的還挺細] hash函數是先拿到通過key 的hashcode，是32位的int值，然后讓hashcode的高16位和低16位進行異或操作。

面試官: ?那你知道為什么這么設計嗎？

我: ?[這也要問]，這個也叫擾動函數，這么設計有二點原因：

一定要盡可能降低hash碰撞，越分散越好；

算法一定要盡可能高效，因為這是高頻操作, 因此采用位運算；

面試官: ?為什么采用hashcode的高16位和低16位異或能降低hash碰撞？hash函數能不能直接用key的hashcode？

[這問題有點刁鉆], 安琪拉差點原地💥了，恨不得出biubiubiu 二一三連招。

我: ?因為 key.hashCode() 函數調用的是key鍵值類型自帶的哈希函數，返回int型散列值。int值范圍為**-2147483648~2147483647**，前后加起來大概40億的映射空間。只要哈希函數映射得比較均勻松散，一般應用是很難出現碰撞的。但問題是一個40億長度的數組，內存是放不下的。你想，如果HashMap數組的初始大小才16，用之前需要對數組的長度取模運算，得到的余數才能用來訪問數組下標。

源碼中模運算就是把散列值和數組長度-1做一個"與"操作，位運算比%運算要快。

bucketIndex = indexFor(hash, table.length);static int indexFor(int h, int length) {return h & (length-1); }

順便說一下，這也正好解釋了為什么HashMap的數組長度要取2的整數冪。因為這樣（數組長度-1）正好相當于一個“低位掩碼”。“與”操作的結果就是散列值的高位全部歸零，只保留低位值，用來做數組下標訪問。以初始長度16為例，16-1=15。2進制表示是00000000 00000000 00001111。和某散列值做“與”操作如下，結果就是截取了最低的四位值。

10100101 11000100 00100101 & 00000000 00000000 00001111 ----------------------------------00000000 00000000 00000101 //高位全部歸零，只保留末四位

但這時候問題就來了，這樣就算我的散列值分布再松散，要是只取最后幾位的話，碰撞也會很嚴重。更要命的是如果散列本身做得不好，分布上成等差數列的漏洞，如果正好讓最后幾個低位呈現規律性重復，就無比蛋疼。

這時候 hash 函數（“擾動函數”）的價值就體現出來了，說到這里大家應該猜出來了。看下面這個圖，

右位移16位，正好是32bit的一半，自己的高半區和低半區做異或，就是為了混合原始哈希碼的高位和低位，以此來加大低位的隨機性。而且混合后的低位摻雜了高位的部分特征，這樣高位的信息也被變相保留下來。

最后我們來看一下Peter Lawley的一篇專欄文章《An introduction to optimising a hashing strategy》里的的一個實驗：他隨機選取了352個字符串，在他們散列值完全沒有沖突的前提下，對它們做低位掩碼，取數組下標。

結果顯示，當HashMap數組長度為512的時候（），也就是用掩碼取低9位的時候，在沒有擾動函數的情況下，發生了103次碰撞，接近30%。而在使用了擾動函數之后只有92次碰撞。碰撞減少了將近10%。看來擾動函數確實還是有功效的。

另外Java1.8相比1.7做了調整，1.7做了四次移位和四次異或，但明顯Java 8覺得擾動做一次就夠了，做4次的話，多了可能邊際效用也不大，所謂為了效率考慮就改成一次了。

下面是1.7的hash代碼：

static int hash(int h) {h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4); }

面試官: ?看來做過功課，有點料啊！是不是偷偷看了安琪拉的博客公眾號, 你剛剛說到1.8對hash函數做了優化，1.8還有別的優化嗎？

我: 1.8還有三點主要的優化：

數組+鏈表改成了數組+鏈表或紅黑樹；

鏈表的插入方式從頭插法改成了尾插法，簡單說就是插入時，如果數組位置上已經有元素，1.7將新元素放到數組中，原始節點作為新節點的后繼節點，1.8遍歷鏈表，將元素放置到鏈表的最后；

擴容的時候1.7需要對原數組中的元素進行重新hash定位在新數組的位置，1.8采用更簡單的判斷邏輯，位置不變或索引+舊容量大小；

在插入時，1.7先判斷是否需要擴容，再插入，1.8先進行插入，插入完成再判斷是否需要擴容；

面試官: ?你分別跟我講講為什么要做這幾點優化；

我: ?【咳咳，果然是連環炮】

防止發生hash沖突，鏈表長度過長，將時間復雜度由O(n)降為O(logn);

因為1.7頭插法擴容時，頭插法會使鏈表發生反轉，多線程環境下會產生環；

A線程在插入節點B，B線程也在插入，遇到容量不夠開始擴容，重新hash，放置元素，采用頭插法，后遍歷到的B節點放入了頭部，這樣形成了環，如下圖所示：

1.7的擴容調用transfer代碼，如下所示：

void?transfer(Entry[]?newTable,?boolean?rehash)?{int?newCapacity?=?newTable.length;for?(Entry<K,V>?e?:?table)?{while(null?!=?e)?{Entry<K,V>?next?=?e.next;if?(rehash)?{e.hash?=?null?==?e.key???0?:?hash(e.key);}int?i?=?indexFor(e.hash,?newCapacity);e.next?=?newTable[i];?//A線程如果執行到這一行掛起，B線程開始進行擴容newTable[i]?=?e;e?=?next;}} }

擴容的時候為什么1.8 不用重新hash就可以直接定位原節點在新數據的位置呢?

這是由于擴容是擴大為原數組大小的2倍，用于計算數組位置的掩碼僅僅只是高位多了一個1，舉個例子：

擴容前長度為16，用于計算?(n-1) & hash?的二進制n - 1為0000 1111，

擴容后為32后的二進制就高位多了1，============>為0001 1111。

因為是& 運算，1和任何數 & 都是它本身，那就分二種情況，如下圖：原數據hashcode高位第4位為0和高位為1的情況；

第四位高位為0，重新hash數值不變，第四位為1，重新hash數值比原來大16（舊數組的容量）

面試官: ?那HashMap是線程安全的嗎？

我: ?不是，在多線程環境下，1.7 會產生死循環、數據丟失、數據覆蓋的問題，1.8 中會有數據覆蓋的問題。

以1.8為例，當A線程執行到下面代碼第6行判斷index位置為空后正好掛起，B線程開始執行第7 行，往index位置的寫入節點數據，這時A線程恢復現場，執行賦值操作，就把A線程的數據給覆蓋了；

還有第38行++size這個地方也會造成多線程同時擴容等問題。

final?V?putVal(int?hash,?K?key,?V?value,?boolean?onlyIfAbsent,boolean?evict)?{Node<K,V>[]?tab;?Node<K,V>?p;?int?n,?i;if?((tab?=?table)?==?null?||?(n?=?tab.length)?==?0)n?=?(tab?=?resize()).length;if?((p?=?tab[i?=?(n?-?1)?&?hash])?==?null)??//多線程執行到這里tab[i]?=?newNode(hash,?key,?value,?null);else?{Node<K,V>?e;?K?k;if?(p.hash?==?hash?&&((k?=?p.key)?==?key?||?(key?!=?null?&&?key.equals(k))))e?=?p;else?if?(p?instanceof?TreeNode)e?=?((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this,?tab,?hash,?key,?value);else?{for?(int?binCount?=?0;?;?++binCount)?{if?((e?=?p.next)?==?null)?{p.next?=?newNode(hash,?key,?value,?null);if?(binCount?>=?TREEIFY_THRESHOLD?-?1)?//?-1?for?1sttreeifyBin(tab,?hash);break;}if?(e.hash?==?hash?&&((k?=?e.key)?==?key?||?(key?!=?null?&&?key.equals(k))))break;p?=?e;}}if?(e?!=?null)?{?//?existing?mapping?for?keyV?oldValue?=?e.value;if?(!onlyIfAbsent?||?oldValue?==?null)e.value?=?value;afterNodeAccess(e);return?oldValue;}}++modCount;if?(++size?>?threshold)?//?多個線程走到這，可能重復resize()resize();afterNodeInsertion(evict);return?null; }

面試官: ?那你平常怎么解決這個線程不安全的問題？

我: ?Java中有HashTable、Collections.synchronizedMap、以及ConcurrentHashMap可以實現線程安全的Map。

• HashTable是直接在操作方法上加synchronized關鍵字，鎖住整個數組，粒度比較大；

• Collections.synchronizedMap是使用Collections集合工具的內部類，通過傳入Map封裝出一個SynchronizedMap對象，內部定義了一個對象鎖，方法內通過對象鎖實現；

• ConcurrentHashMap使用分段鎖，降低了鎖粒度，讓并發度大大提高。

面試官: ?那你知道ConcurrentHashMap的分段鎖的實現原理嗎？

我: ?【天啦擼! 俄羅斯套娃，一個套一個】ConcurrentHashMap成員變量使用volatile 修飾，免除了指令重排序，同時保證內存可見性，另外使用CAS操作和synchronized結合實現賦值操作，多線程操作只會鎖住當前操作索引的節點。

如下圖，線程A鎖住A節點所在鏈表，線程B鎖住B節點所在鏈表，操作互不干涉。

面試官: ?你前面提到鏈表轉紅黑樹是鏈表長度達到閾值，這個閾值是多少？

我: ?閾值是8，紅黑樹轉鏈表閾值為6

面試官: ?為什么是8，不是16，32甚至是7 ？又為什么紅黑樹轉鏈表的閾值是6，不是8了呢？

我: 【你去問作者啊！天啦擼，biubiubiu 真想213連招】

因為作者就這么設計的，哦，不對，因為經過計算，在hash函數設計合理的情況下，發生hash碰撞8次的幾率為百萬分之6，概率說話。。因為8夠用了，至于為什么轉回來是6，因為如果hash碰撞次數在8附近徘徊，會一直發生鏈表和紅黑樹的轉化，為了預防這種情況的發生。

面試官: ?HashMap內部節點是有序的嗎？

我: ?是無序的，根據hash值隨機插入

面試官: ?那有沒有有序的Map？

我: ?LinkedHashMap 和 TreeMap

面試官: ?跟我講講LinkedHashMap怎么實現有序的？

我: ?LinkedHashMap內部維護了一個單鏈表，有頭尾節點，同時LinkedHashMap節點Entry內部除了繼承HashMap的Node屬性，還有before 和 after用于標識前置節點和后置節點。可以實現按插入的順序或訪問順序排序。

/***?The?head?(eldest)?of?the?doubly?linked?list. */ transient?LinkedHashMap.Entry<K,V>?head;/***?The?tail?(youngest)?of?the?doubly?linked?list. */ transient?LinkedHashMap.Entry<K,V>?tail; //鏈接新加入的p節點到鏈表后端 private?void?linkNodeLast(LinkedHashMap.Entry<K,V>?p)?{LinkedHashMap.Entry<K,V>?last?=?tail;tail?=?p;if?(last?==?null)head?=?p;else?{p.before?=?last;last.after?=?p;} } //LinkedHashMap的節點類 static?class?Entry<K,V>?extends?HashMap.Node<K,V>?{Entry<K,V>?before,?after;Entry(int?hash,?K?key,?V?value,?Node<K,V>?next)?{super(hash,?key,?value,?next);} }

示例代碼：

public?static?void?main(String[]?args)?{Map<String,?String>?map?=?new?LinkedHashMap<String,?String>();map.put("1",?"安琪拉");map.put("2",?"的");map.put("3",?"博客");for(Map.Entry<String,String>?item:?map.entrySet()){System.out.println(item.getKey()?+?":"?+?item.getValue());} } //console輸出 1:安琪拉 2:的 3:博客

面試官: ?跟我講講TreeMap怎么實現有序的？

我：TreeMap是按照Key的自然順序或者Comprator的順序進行排序，內部是通過紅黑樹來實現。所以要么key所屬的類實現Comparable接口，或者自定義一個實現了Comparator接口的比較器，傳給TreeMap用戶key的比較。

面試官: ?前面提到通過CAS 和 synchronized結合實現鎖粒度的降低，你能給我講講CAS 的實現以及synchronized的實現原理嗎？

我: ?下一期咋們再約時間，OK？

面試官: ?好吧，回去等通知吧！

《新程序員》：云原生和全面數字化實踐50位技術專家共同創作，文字、視頻、音頻交互閱讀

總結

以上是生活随笔為你收集整理的崩溃了，一个HashMap跟面试官扯了半个小时的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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