HashMap详细20道面试题

HashMap详细20道面试题。

wzq_55552

4702人浏览 · 2023-02-07 08:00:00

wzq_55552 · 2023-02-07 08:00:00 发布

1：HashMap 的数据结构？

A：哈希表结构（链表散列：数组+链表）实现，结合数组和链表的优点。当链表长度超过 8 时，链表转换为红黑树。

transient Node<K,V>\[\] table;

2：HashMap 的工作原理？

HashMap 底层是 hash 数组和单向链表实现，数组中的每个元素都是链表，由 Node 内部类（实现 Map.Entry接口）实现，HashMap 通过 put & get 方法存储和获取。

存储对象时，将 K/V 键值传给 put() 方法：

①、调用 hash(K) 方法计算 K 的 hash 值，然后结合数组长度，计算得数组下标；

②、调整数组大小（当容器中的元素个数大于 capacity * loadfactor 时，容器会进行扩容resize 为 2n）；

③、i.如果 K 的 hash 值在 HashMap 中不存在，则执行插入，若存在，则发生碰撞；

ii.如果 K 的 hash 值在 HashMap 中存在，且它们两者 equals 返回 true，则更新键值对；

iii. 如果 K 的 hash 值在 HashMap 中存在，且它们两者 equals 返回 false，则插入链表的尾部（尾插法）或者红黑树中（树的添加方式）。

（JDK 1.7 之前使用头插法、JDK 1.8 使用尾插法）（注意：当碰撞导致链表大于 TREEIFY_THRESHOLD = 8 时，就把链表转换成红黑树）

获取对象时，将 K 传给 get() 方法：①、调用 hash(K) 方法（计算 K 的 hash 值）从而获取该键值所在链表的数组下标；②、顺序遍历链表，equals()方法查找相同 Node 链表中 K 值对应的 V 值。

hashCode 是定位的，存储位置；equals是定性的，比较两者是否相等。

3.当两个对象的 hashCode 相同会发生什么？

因为 hashCode 相同，不一定就是相等的（equals方法比较），所以两个对象所在数组的下标相同，"碰撞"就此发生。又因为 HashMap 使用链表存储对象，这个 Node 会存储到链表中。为什么要重写 hashcode 和 equals 方法？推荐看下。

4.你知道 hash 的实现吗？为什么要这样实现？

JDK 1.8 中，是通过 hashCode() 的高 16 位异或低 16 位实现的：(h = k.hashCode()) ^ (h >>> 16)，主要是从速度，功效和质量来考虑的，减少系统的开销，也不会造成因为高位没有参与下标的计算，从而引起的碰撞。

5.为什么要用异或运算符？

保证了对象的 hashCode 的 32 位值只要有一位发生改变，整个 hash() 返回值就会改变。尽可能的减少碰撞。

6.HashMap 的 table 的容量如何确定？loadFactor 是什么？该容量如何变化？这种变化会带来什么问题？

①、table 数组大小是由 capacity 这个参数确定的，默认是16，也可以构造时传入，最大限制是1<<30；

②、loadFactor 是装载因子，主要目的是用来确认table 数组是否需要动态扩展，默认值是0.75(概率泊松分布)，比如table 数组大小为 16，装载因子为 0.75 时，threshold 就是12，当 table 的实际大小超过 12 时，table就需要动态扩容；

③、扩容时，调用 resize() 方法，将 table 长度变为原来的两倍（注意是 table 长度，而不是 threshold）

④、如果数据很大的情况下，扩展时将会带来性能的损失，在性能要求很高的地方，这种损失很可能很致命。

7.HashMap中put方法的过程？

答：调用哈希函数获取Key对应的hash值，再计算其数组下标；

如果没有出现哈希冲突，则直接放入数组；如果出现哈希冲突，则以链表的方式放在链表后面；

如果链表长度超过阀值( TREEIFY THRESHOLD==8)，就把链表转成红黑树，链表长度低于6，就把红黑树转回链表;

如果结点的key已经存在，则替换其value即可；

如果集合中的键值对大于12，调用resize方法进行数组扩容。

8.数组扩容的过程？

创建一个新的数组，其容量为旧数组的两倍，并重新计算旧数组中结点的存储位置。结点在新数组中的位置只有两种，原下标位置或原下标+旧数组的大小。

9.拉链法导致的链表过深问题为什么不用二叉查找树代替，而选择红黑树？为什么不一直使用红黑树？

之所以选择红黑树是为了解决二叉查找树的缺陷，二叉查找树在特殊情况下会变成一条线性结构（这就跟原来使用链表结构一样了，造成很深的问题），遍历查找会非常慢。

而红黑树在插入新数据后可能需要通过左旋，右旋、变色这些操作来保持平衡，引入红黑树就是为了查找数据快，解决链表查询深度的问题，我们知道红黑树属于平衡二叉树，但是为了保持“平衡”是需要付出代价的，但是该代价所损耗的资源要比遍历线性链表要少，所以当长度大于8的时候，会使用红黑树，如果链表长度很短的话，根本不需要引入红黑树，引入反而会慢。

10.说说你对红黑树的见解？

每个节点非红即黑
根节点总是黑色的
如果节点是红色的，则它的子节点必须是黑色的（反之不一定）
每个叶子节点都是黑色的空节点（NIL节点）
从根节点到叶节点或空子节点的每条路径，必须包含相同数目的黑色节点（即相同的黑色高度）

11.jdk8中对HashMap做了哪些改变？

在java 1.8中，如果链表的长度超过了8，那么链表将转换为红黑树。（桶的数量必须大于64，小于64的时候只会扩容）

发生hash碰撞时，java 1.7 会在链表的头部插入，而java 1.8会在链表的尾部插入

在java 1.8中，Entry被Node替代(换了一个马甲)。

12.HashMap，LinkedHashMap，TreeMap 有什么区别？

Map主要用于存储健值对，根据键得到值，因此不允许键重复(重复了覆盖了),但允许值重复。
Hashmap 是一个最常用的Map,它根据键的HashCode 值存储数据,根据键可以直接获取它的值，具有很快的访问速度，遍历时，取得数据的顺序是完全随机的。HashMap最多只允许一条记录的键为Null;允许多条记录的值为 Null;HashMap不支持线程的同步，即任一时刻可以有多个线程同时写HashMap;可能会导致数据的不一致。如果需要同步，可以用 Collections的synchronizedMap方法使HashMap具有同步的能力，或者使用ConcurrentHashMap。
Hashtable与 HashMap类似,它继承自Dictionary类，不同的是:它不允许记录的键或者值为空;它支持线程的同步，即任一时刻只有一个线程能写Hashtable,因此也导致了 Hashtable在写入时会比较慢。
LinkedHashMap保存了记录的插入顺序（链表纪录），在用Iterator遍历LinkedHashMap时，先得到的记录肯定是先插入的.也可以在构造时用带参数，按照应用次数排序。在遍历的时候会比HashMap慢，不过有种情况例外，当HashMap容量很大，实际数据较少时，遍历起来可能会比LinkedHashMap慢，因为LinkedHashMap的遍历速度只和实际数据有关，和容量无关，而HashMap的遍历速度和他的容量有关。
TreeMap实现SortMap接口（红黑树，中序遍历即是顺序），能够把它保存的记录根据键排序,默认是按键值的升序排序，也可以指定排序的比较器，当用Iterator 遍历TreeMap时，得到的记录是排过序的。

13.HashMap & TreeMap & LinkedHashMap 使用场景？

一般情况下，使用最多的是 HashMap。

HashMap：在 Map 中插入、删除和定位元素时；

TreeMap：在需要按自然顺序或自定义顺序遍历键的情况下；

LinkedHashMap：在需要输出的顺序和输入的顺序相同的情况下。

14.HashMap 和 HashTable 有什么区别？

①、HashMap 是线程不安全的，HashTable 是线程安全的；

②、由于线程安全，所以 HashTable 的效率比不上 HashMap；

③、HashMap最多只允许一条记录的键为null，允许多条记录的值为null，而 HashTable不允许；

④、HashMap 默认初始化数组的大小为16，HashTable 为 11，前者扩容时，扩大两倍，后者扩大两倍+1；

⑤、HashMap 需要重新计算 hash 值，而 HashTable 直接使用对象的 hashCode

15.Java 中的另一个线程安全的与 HashMap 极其类似的类是什么？同样是线程安全，它与 HashTable 在线程同步上有什么不同？

ConcurrentHashMap 类（是 Java并发包 java.util.concurrent 中提供的一个线程安全且高效的 HashMap 实现）。

HashTable 是使用 synchronize 关键字加锁的原理（就是对对象加锁）；

而针对 concurrentHashMap，在 JDK 1.7 中采用分段锁的方式；JDK 1.8 中直接采用了CAS（无锁算法）+ synchronized。

16.HashMap & ConcurrentHashMap 的区别？

除了加锁，原理上无太大区别。另外，HashMap 的键值对允许有null，但是ConCurrentHashMap 都不允许。

17.为什么 ConcurrentHashMap 比 HashTable 效率要高？

HashTable 使用一把锁（锁住整个链表结构）处理并发问题，多个线程竞争一把锁，容易阻塞；

ConcurrentHashMap

JDK 1.7 中使用分段锁（ReentrantLock + Segment + HashEntry），相当于把一个 HashMap 分成多个段，每段分配一把锁，这样支持多线程访问。锁粒度：基于 Segment，包含多个 HashEntry。
JDK 1.8 中使用 CAS + synchronized + Node + 红黑树。锁粒度：Node（首结

点）（实现 Map.Entry）。锁粒度降低了。

18.针对 ConcurrentHashMap 锁机制具体分析（JDK 1.7 VS JDK 1.8）

JDK 1.7 中，采用分段锁的机制，实现并发的更新操作，底层采用数组+链表的存储结构，包括两个核心静态内部类 Segment 和 HashEntry。

①、Segment 继承 ReentrantLock（重入锁）用来充当锁的角色，每个 Segment 对象守护每个散列映射表的若干个桶；

②、HashEntry 用来封装映射表的键-值对；

③、每个桶是由若干个 HashEntry 对象链接起来的链表

JDK 1.8 中，采用Node + CAS + Synchronized来保证并发安全。取消类 Segment，直接用 table 数组存储键值对；当 HashEntry 对象组成的链表长度超过 TREEIFY_THRESHOLD 时，链表转换为红黑树，提升性能。底层变更为数组 + 链表 + 红黑树。

19.ConcurrentHashMap 在 JDK 1.8 中，为什么要使用内置锁 synchronized 来代替重入锁 ReentrantLock？

①、粒度降低了；

②、JVM 开发团队没有放弃 synchronized，而且基于 JVM 的 synchronized 优化空间更大，更加自然。

③、在大量的数据操作下，对于 JVM 的内存压力，基于 API 的 ReentrantLock 会开销更多的内存。

20.ConcurrentHashMap 简单介绍？

①、重要的常量：

private transient volatile int sizeCtl;

当为负数时，-1 表示正在初始化，-N 表示 N - 1 个线程正在进行扩容；

当为 0 时，表示 table 还没有初始化；

当为其他正数时，表示初始化或者下一次进行扩容的大小。

②、数据结构：

Node 是存储结构的基本单元，继承 HashMap 中的 Entry，用于存储数据；

TreeNode 继承 Node，但是数据结构换成了二叉树结构，是红黑树的存储结构，用于红黑树中存储数据；

TreeBin 是封装 TreeNode 的容器，提供转换红黑树的一些条件和锁的控制。

③、存储对象时（put() 方法）：

如果没有初始化，就调用 initTable() 方法来进行初始化；

如果没有 hash 冲突就直接 CAS 无锁插入；

如果需要扩容，就先进行扩容；

如果存在 hash 冲突，就加锁来保证线程安全，两种情况：一种是链表形式就直接遍历

到尾端插入，一种是红黑树就按照红黑树结构插入；

如果该链表的数量大于阀值 8，就要先转换成红黑树的结构，break 再一次进入循环

如果添加成功就调用 addCount() 方法统计 size，并且检查是否需要扩容。

④、扩容方法 transfer()：默认容量为 16，扩容时，容量变为原来的两倍。

helpTransfer()：调用多个工作线程一起帮助进行扩容，这样的效率就会更高。

⑤、获取对象时（get()方法）：

计算 hash 值，定位到该 table 索引位置，如果是首结点符合就返回；

如果遇到扩容时，会调用标记正在扩容结点 ForwardingNode.find()方法，查找该结点，匹配就返回；

以上都不符合的话，就往下遍历结点，匹配就返回，否则最后就返回 null。

21.ConcurrentHashMap 的并发度是什么？

程序运行时能够同时更新 ConccurentHashMap 且不产生锁竞争的最大线程数。默认为 16，且可以在构造函数中设置。

当用户设置并发度时，ConcurrentHashMap 会使用大于等于该值的最小2幂指数作为实际并发度（假如用户设置并发度为17，实际并发度则为32）

你看过HashMap源码嘛，知道原理嘛?
针对这个问题，嗯，当然是必须看过HashMap源码。至于原理，下面那张图很清楚了:

HashMap采用Entry数组来存储key-value对，每一个键值对组成了一个Entry实体，Entry类实际上是一个单向的链表结构，它具有Next指针，可以连接下一个Entry实体。
*为什么用数组+链表？*数组是用来确定桶的位置，利用元素的key的hash值对数组长度取模得到.链表是用来解决hash冲突问题，当出现hash值一样的情形，就在数组上的对应位置形成一条链表。

ps:这里的hash值并不是指hashcode，而是将hashcode高低十六位异或过的。至于为什么要这么做，继续往下看。

hash冲突你还知道哪些解决办法？

比较出名的有四种(1)开放定址法(2)链地址法(3)再哈希法(4)公共溢出区域法

我用LinkedList代替数组结构可以么?
这里我稍微说明一下，此题的意思是，源码中是这样的

Entry[] table = new Entry[capacity];

ps：Entry就是一个链表节点。
那我用下面这样表示

List<Entry> table = new LinkedList<Entry>();

是否可行?
答案很明显，必须是可以的。

既然是可以的,为什么HashMap不用LinkedList,而选用数组?

因为用数组效率最高！
在HashMap中，定位桶的位置是利用元素的key的哈希值对数组长度取模得到。此时，我们已得到桶的位置。显然数组的查找效率比LinkedList大。

那ArrayList，底层也是数组，查找也快啊，为啥不用ArrayList?
(烟哥写到这里的时候，不禁觉得自己真有想法，自己把自己问死了，还好我灵机一动想出了答案)
因为采用基本数组结构，扩容机制可以自己定义，HashMap中数组扩容刚好是2的次幂，在做取模运算的效率高。而ArrayList的扩容机制是1.5倍扩容。

(2)HashMap在什么条件下扩容?
此题可以组成如下连环炮来问

HashMap在什么条件下扩容?
为什么扩容是2的n次幂?
为什么为什么要先高16位异或低16位再取模运算?

HashMap在什么条件下扩容?
如果bucket满了(超过load factor*current capacity)，就要resize。
load factor为0.75，为了最大程度避免哈希冲突
current capacity为当前数组大小。

为什么扩容是2的次幂?
HashMap为了存取高效，要尽量较少碰撞，就是要尽量把数据分配均匀，每个链表长度大致相同，这个实现就在把数据存到哪个链表中的算法；这个算法实际就是取模，hash%length。
但是，大家都知道这种运算不如位移运算快。
因此，源码中做了优化hash&(length-1)。
也就是说hash%length==hash&(length-1)
那为什么是2的n次方呢？
因为2的n次方实际就是1后面n个0，2的n次方-1，实际就是n个1。
例如长度为8时候，3&(8-1)=3 2&(8-1)=2 ，不同位置上，不碰撞。
而长度为5的时候，3&(5-1)=0 2&(5-1)=0，都在0上，出现碰撞了。
所以，保证容积是2的n次方，是为了保证在做(length-1)的时候，每一位都能&1 ，也就是和1111……1111111进行与运算。

为什么为什么要先高16位异或低16位再取模运算?
我先晒一下，jdk1.8里的hash方法。1.7的比较复杂，咱就不看了。

hashmap这么做，只是为了降低hash冲突的几率。

打个比方，当我们的length为16的时候，哈希码(字符串“abcabcabcabcabc”的key对应的哈希码)对(16-1)与操作，对于多个key生成的hashCode，只要哈希码的后4位为0，不论不论高位怎么变化，最终的结果均为0。
如下图所示

而加上高16位异或低16位的“扰动函数”后，结果如下

可以看到: 扰动函数优化前：1954974080 % 16 = 1954974080 & (16 - 1) = 0 扰动函数优化后：1955003654 % 16 = 1955003654 & (16 - 1) = 6 很显然，减少了碰撞的几率。

(3)讲讲hashmap的get/put的过程?
此题可以组成如下连环炮来问

知道hashmap中put元素的过程是什么样么?
知道hashmap中get元素的过程是什么样么？
你还知道哪些hash算法？
说说String中hashcode的实现?(此题很多大厂问过)

知道hashmap中put元素的过程是什么样么?
对key的hashCode()做hash运算，计算index;
如果没碰撞直接放到bucket里；
如果碰撞了，以链表的形式存在buckets后；
如果碰撞导致链表过长(大于等于TREEIFY_THRESHOLD)，就把链表转换成红黑树(JDK1.8中的改动)；
如果节点已经存在就替换old value(保证key的唯一性)
如果bucket满了(超过load factor*current capacity)，就要resize。

知道hashmap中get元素的过程是什么样么?
对key的hashCode()做hash运算，计算index;
如果在bucket里的第一个节点里直接命中，则直接返回；
如果有冲突，则通过key.equals(k)去查找对应的Entry;

若为树，则在树中通过key.equals(k)查找，O(logn)；
若为链表，则在链表中通过key.equals(k)查找，O(n)。

你还知道哪些hash算法？
先说一下hash算法干嘛的，Hash函数是指把一个大范围映射到一个小范围。把大范围映射到一个小范围的目的往往是为了节省空间，使得数据容易保存。
比较出名的有MurmurHash、MD4、MD5等等

说说String中hashcode的实现?(此题频率很高)

public int hashCode() {   
    int h = hash;   
    if (h == 0 && value.length > 0) {      
        char val[] = value;     
        for (int i = 0; i < value.length; i++) {        
            h = 31 * h + val[i];      
        }        
        hash = h;   
    }    
    return h;
}

String类中的hashCode计算方法还是比较简单的，就是以31为权，每一位为字符的ASCII值进行运算，用自然溢出来等效取模。

哈希计算公式可以计为s[0]31^(n-1) + s[1]31^(n-2) + … + s[n-1]
那为什么以31为质数呢?
主要是因为31是一个奇质数，所以31*i=32*i-i=(i<<5)-i，这种位移与减法结合的计算相比一般的运算快很多。

(4)为什么hashmap的在链表元素数量超过8时改为红黑树?
此题可以组成如下连环炮来问

知道jdk1.8中hashmap改了啥么?
为什么在解决hash冲突的时候，不直接用红黑树?而选择先用链表，再转红黑树?
我不用红黑树，用二叉查找树可以么?
那为什么阀值是8呢?
当链表转为红黑树后，什么时候退化为链表?

知道jdk1.8中hashmap改了啥么?

由数组+链表的结构改为数组+链表+红黑树。
优化了高位运算的hash算法：h^(h>>>16)
扩容后，元素要么是在原位置，要么是在原位置再移动2次幂的位置，且链表顺序不变。

最后一条是重点，因为最后一条的变动，hashmap在1.8中，不会在出现死循环问题。

为什么在解决hash冲突的时候，不直接用红黑树?而选择先用链表，再转红黑树?
因为红黑树需要进行左旋，右旋，变色这些操作来保持平衡，而单链表不需要。
当元素小于8个当时候，此时做查询操作，链表结构已经能保证查询性能。当元素大于8个的时候，此时需要红黑树来加快查询速度，但是新增节点的效率变慢了。

因此，如果一开始就用红黑树结构，元素太少，新增效率又比较慢，无疑这是浪费性能的。

我不用红黑树，用二叉查找树可以么?
可以。但是二叉查找树在特殊情况下会变成一条线性结构（这就跟原来使用链表结构一样了，造成很深的问题），遍历查找会非常慢。

那为什么阀值是8呢?
不知道，等jdk作者来回答。
这道题，网上能找到的答案都是扯淡。
我随便贴一个牛客网的答案，如下图所示

看出bug没？交点是6.64？交点分明是4，好么。

当链表转为红黑树后，什么时候退化为链表?
为6的时候退转为链表。中间有个差值7可以防止链表和树之间频繁的转换。假设一下，如果设计成链表个数超过8则链表转换成树结构，链表个数小于8则树结构转换成链表，如果一个HashMap不停的插入、删除元素，链表个数在8左右徘徊，就会频繁的发生树转链表、链表转树，效率会很低。

(5)HashMap的并发问题?
此题可以组成如下连环炮来问

HashMap在并发编程环境下有什么问题啊?
在jdk1.8中还有这些问题么?
你一般怎么解决这些问题的？

HashMap在并发编程环境下有什么问题啊?

(1)多线程扩容，引起的死循环问题
(2)多线程put的时候可能导致元素丢失
(3)put非null元素后get出来的却是null

在jdk1.8中还有这些问题么?
在jdk1.8中，死循环问题已经解决。其他两个问题还是存在。

你一般怎么解决这些问题的？
比如ConcurrentHashmap，Hashtable等线程安全等集合类。

(6)你一般用什么作为HashMap的key?
此题可以组成如下连环炮来问

健可以为Null值么?
你一般用什么作为HashMap的key?
我用可变类当HashMap的key有什么问题?
如果让你实现一个自定义的class作为HashMap的key该如何实现？

健可以为Null值么?
必须可以，key为null的时候，hash算法最后的值以0来计算，也就是放在数组的第一个位置。

你一般用什么作为HashMap的key?

(1)因为字符串是不可变的，所以在它创建的时候hashcode就被缓存了，不需要重新计算。这就使得字符串很适合作为Map中的键，字符串的处理速度要快过其它的键对象。这就是HashMap中的键往往都使用字符串。
(2)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,这些类已经很规范的覆写了hashCode()以及equals()方法。

我用可变类当HashMap的key有什么问题?
hashcode可能发生改变，导致put进去的值，无法get出，如下所示

HashMap<List<String>, Object> changeMap = new HashMap<>();
List<String> list = new ArrayList<>();list.add("hello");
Object objectValue = new Object();
changeMap.put(list, objectValue);
System.out.println(changeMap.get(list));
list.add("hello world");
//hashcode发生了改变
System.out.println(changeMap.get(list));

输出值如下

java.lang.Object@74a14482null

如果让你实现一个自定义的class作为HashMap的key该如何实现？
此题考察两个知识点

重写hashcode和equals方法注意什么?
如何设计一个不变类

针对问题一，记住下面四个原则即可
(1)两个对象相等，hashcode一定相等
(2)两个对象不等，hashcode不一定不等
(3)hashcode相等，两个对象不一定相等
(4)hashcode不等，两个对象一定不等
针对问题二，记住如何写一个不可变类
(1)类添加final修饰符，保证类不被继承。
如果类可以被继承会破坏类的不可变性机制，只要继承类覆盖父类的方法并且继承类可以改变成员变量值，那么一旦子类以父类的形式出现时，不能保证当前类是否可变。

(2)保证所有成员变量必须私有，并且加上final修饰
通过这种方式保证成员变量不可改变。但只做到这一步还不够，因为如果是对象成员变量有可能再外部改变其值。所以第4点弥补这个不足。

(3)不提供改变成员变量的方法，包括setter
避免通过其他接口改变成员变量的值，破坏不可变特性。

(4)通过构造器初始化所有成员，进行深拷贝(deep copy)
如果构造器传入的对象直接赋值给成员变量，还是可以通过对传入对象的修改进而导致改变内部变量的值。例如：

public final class ImmutableDemo {      
    private final int[] myArray;      
    public ImmutableDemo(int[] array) {        
        this.myArray = array; // wrong     
    } 
}

这种方式不能保证不可变性，myArray和array指向同一块内存地址，用户可以在ImmutableDemo之外通过修改array对象的值来改变myArray内部的值。
为了保证内部的值不被修改，可以采用深度copy来创建一个新内存保存传入的值。正确做法：

public final class MyImmutableDemo {      
    private final int[] myArray;     
    public MyImmutableDemo(int[] array) {    
        this.myArray = array.clone();      
    } 
}