面试中的 HashMap、ConcurrentHashMap 和 Hashtable,你知道多少?

发布于: 2020 年 06 月 22 日

前言

学过数据结构的读者们想必其实也都学过HashMap,面试官问你的时候,想来你都是很清楚的知道HashMap是怎样的一个构成?确实很简单,就是数组加链表嘛。那再问你HashtableHashMap的区别是什么?脑子也不用想,又能出来一个答案线程安全和线程不安全,Hashtable不允许存在空值呗。那继续往深处问,HashMap是怎么做性能优化的?这个时候你是怎么样的反应呢?如果知道红黑树,那就能答出来;不知道的话那不是就凉了,因为这个时候连ConcurrentHashMap都需要放弃回答了!!!

部分图片引自JDK1.7 HashMap 导致循环链表

HashMap源码导读

其实思路大致都是相同的,所以这里只分析一个HashMap,先贴出他的几个常见用法。

HashMap hashMap = new HashMap();
hashMap.put(key, value);
hashMap.get(key);

主要从这个方面对HashMap的整个工作流程进行分析。

HashMap()

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
initialCapacity);
// 对数组的一个保护,不能超过int最大值范围
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
loadFactor);
this.loadFactor = loadFactor;
this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
putMapEntries(m, false);
}

其实在无参构造方法,我们并没有看到所谓的数组的初始化,他只对我们的负载因子做了一个初始化,也就是我们一直常说的0.75f,但为什么是0.75f呢,只能说是一个经验值,也就是经验所致,因为0.5f时空间太浪费,1f时容易出现极端情况,当然也不是随便定的,设计师肯定是做了很多的测试的,但依旧是一个经验值,或者说是测试后的最优解。

回到我们之前的问题,既然我们学习的时候学到过HashMap是一个数组+链表。那做第一个思考为什么初始化不见了? 先带着这样的问题继续啊往下走。

先看看自己动手初始化容量构造函数,最后都会调用下方的tableSizeFor()方法。

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;
}

本质意思就是把数值变成2的指数倍,这样的好处是计算方便处理。但是出现同样的问题,没有初始化,这里也只看到了容量。问题继续保留。

put(key, value)

public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true); // 1
}
// 由注释1直接调用的方法putVal()
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
// 第一次来判断的时候,显然的tab是一个空,因为在构造函数中,我们并没有看到他的初始化,那么必然要调用resize()方法。
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length; // 2,未能初始化而必然调用的方法
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
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 1st
treeifyBin(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 key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
++modCount;
if (++size > threshold)
resize(); // 2
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
// 由注释2直接调用的方法
// 由多种方法调用到这里:
// 1. 尚未初始化
// 2. 保存的数据超出 容量 * 负载因子
// 3. 数据被删的不足以支持树形的时候
final Node<K,V>[] resize() {
Node<K,V>[] oldTab = table;
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
int oldThr = threshold;
int newCap, newThr = 0;
// 。。。。
// 此处对容量大小做了一系列的判定,为定义初始化容量为16
// 。。。。
if (newThr == 0) {
float ft = (float)newCap * loadFactor;
newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
(int)ft : Integer.MAX_VALUE);
}
threshold = newThr;
// 进行了整个的table进行一个初始化
// 而这个table就是一个Node的数组
// Node也就是链表的一个个节点,读者自己点进去观察就能看到next节点
@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
table = newTab;
// 。。。。。
}

到这里我们就已经明白了,原来初始化的过程已经在这里进行了定义,这也就解决了我们的第一个问题了。但是随之而来第二个问题,为什么要这样设计呢? 这里给出我思考的一个答案,如果只创建了,却没有进行使用呢?那至少就会占去16个数据类型大小的内存,而这样的创建方法,就是对内存的一种保护机制。

第三个问题,为什么要转变成树形(当然它是有好听的名字的,叫做红黑树)? 其实结构的转换为的不外乎几种原因效率问题、空间占用问题。如果使用链表查询,他的查询速度是O(n) ,而红黑树的查询速度是O(logn)。但是红黑树带来的问题确实一个存储容量的问题,作为二叉树,他需要同时保存左右节点,而单链表只有一个节点,那么内存消耗的问题就出来了。树的构造问题能讲一篇博客,所以就不再这里讲先了。

get(key)

public V get(Object key) {
Node<K,V> e;
return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}

通过hash值来寻找我们对应的节点,那我们就需要先来看看这个hash是怎么计算的。

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

答案也是一目了然的,获得hashCode()值,然后进行于0000_0000_0000_0000b进行异或运算。其实就是为了算出hashCode()的低16位。那我们获得了hash值以后,就需要来找找我们的节点了。

final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
if (first.hash == hash && // always check first node
((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return first;
if ((e = first.next) != null) {
if (first instanceof TreeNode)
// 对树形中的数据进行查找
return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
// 对链表中的数据进行查找
do {
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
return null;
}

然后获取到我们需要的数据,然后就返还给我们了,哇哦!!原来整体就够就是这么简单的。(其实真正写起来不简单,分析起来简单一点罢了,嘿嘿。)

为什么hash要进行高低16的异或运算?

你是否有考虑过这样的问题,但是却可能频频发生在你的代码中呢?

前提:key1和key2两个值不同,但hashCode的高位不同,低位相同。

你能知道,一般在我们的项目中,一个hashmap并不会开的过分夸张的大,可能我们只用了32个(我项目里最大好像也就到这儿了)。而我给出的范围是16位数,32才只到达了5位,远远达不到要求,那么这样情况的出现频率也会异常的夸张。

所以Java工程师们也给出了自己的解决方案也就是高低位的异或运算,他有一个好听的名字 —— 扰动函数

运算其实本质上来说你可以这样认为,就是让其他位上的二进制数们也能够加入到这场运算的盛宴中。经过这样的运算,可能Key1最后的运算对象就从123A000变成了123A123A,而Key2就从BCD00000变到了BCD0BCD0,这样他们与最后的0000000F的异或运算就与原本的结果就迥然不同了。

再来看看经过了扰动函数加工过后的冲突状况。

这是摘自专栏文章《An introduction to optimising a hashing strategy》里的的一个实验:他随机选取了352个字符串,在他们散列值完全没有冲突的前提下,对它们做低位掩码,取数组下标。

那么这个时候我们的一个HashMap长度为512,掩码取低9位时,冲突次数能从103次降低到92次,将近10%的效率提升。

当然会有读者问,为什么不多进行几次干扰?

确实多次干扰能够带来更好的效果,但是会出现一个问题,效率。计算机的一切出发点就是效率问题,一次的干扰能够带来足够好的收益时,是能够作为折中方案被录用的。

HashMap和Hashtable有什么不同

既然我们已经知道了整个的HashMap的构成,那主要要了解的对象就应该是Hashtable了。那我们先来看看Hashtable的构造函数好了。

// 无参构造函数初始化,处理容量为11,负载因子为0,75
public Hashtable() {
this(11, 0.75f);
}
// 链表的创建在默认最后嗲用的构造函数中就已经创建
// 那这里我们就发现了第一个不同的地方。
public Hashtable(int initialCapacity, float loadFactor) {
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
initialCapacity);
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal Load: "+loadFactor);
if (initialCapacity==0)
initialCapacity = 1;
this.loadFactor = loadFactor;
table = new Entry<?,?>[initialCapacity];
threshold = (int)Math.min(initialCapacity * loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE + 1);
}

文内写了第一个不同点,但是还有一个不同点,你是否发现了? 就是容量的问题,在HashMap中的容量计算全部都是往2的指数倍进行靠近的,但是Hashtable并没有做出这样的选择,但是在负载因子上又出奇的一致。

再看看Hashtableput(key, value)方法。

public synchronized V put(K key, V value) {
// 判空机制的存在,和HashMap并无判空,也就容许null作为key存在
if (value == null) {
throw new NullPointerException();
}
// Makes sure the key is not already in the hashtable.
Entry<?,?> tab[] = table;
int hash = key.hashCode();
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
@SuppressWarnings("unchecked")
Entry<K,V> entry = (Entry<K,V>)tab[index];
for(; entry != null ; entry = entry.next) {
if ((entry.hash == hash) && entry.key.equals(key)) {
V old = entry.value;
entry.value = value;
return old;
}
}
addEntry(hash, key, value, index);
return null;
}

我们常说Hashtable是一个线程安全的类,而这里也给了我们答案,他在方法上加了synchronized,也就是锁的机制,来完成我们的同步。**但是思前想后,我都存在一个疑惑,你们是否看到了他的resize()函数呢?**,没错,并不存在resize()函数。

那我们继续往下看看好了,因为在这个函数中还存在一个addEntry()方法,看看里面是不是有扩容机制呢。

private void addEntry(int hash, K key, V value, int index) {
modCount++;
Entry<?,?> tab[] = table;
if (count >= threshold) {
// Rehash the table if the threshold is exceeded
rehash();
tab = table;
hash = key.hashCode();
index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
}
// Creates the new entry.
@SuppressWarnings("unchecked")
Entry<K,V> e = (Entry<K,V>) tab[index];
tab[index] = new Entry<>(hash, key, value, e);
count++;
}

原来他改头换面了,在addEntry()方法中,我们发现他的重构函数是一个叫做rehash()的函数。而扩容机制和HashMap相同都是放大两倍的操作来进行完成的。但是从效率上来讲,因为一直数组+链表的形式存在,就算是没有线程安全的机制,效率上来说总体还是比HashMap差劲的。

ConcurrentHashMap就线程安全的性能优化

说到ConcurrentHashMap,其实他和HashMap一样都是存在JDK1.8前后的版本差异的。

网上可以查到很多关于version 1.8之前的机制,也就是分段锁,可以看做成多个Hashtable的组合。而version 1.8之后的机制,就是锁槽了。迟点做一个详细的解析。

既然是性能优化,那么就应该有性能优化的点。

(1)和HashMap的实现方式一样,数组+链表+红黑树,查找性能上优于Hashtable前提: 使用的容量大于8。

(2)分段锁机制 / 锁槽机制:不再是整个数组加锁,而是对单条或者几条链表和红黑树进行加锁,也就同时能够就收多个不同的hash操作了。

因为我本地使用的JDK1.8,所以我们就先研究一下JDK1.8的做法好了。

final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
int hash = spread(key.hashCode());
int binCount = 0;
for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
Node<K,V> f; int n, i, fh;
if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
//。。。。。
}
else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
// 引入了CAS机制
if (casTabAt(tab, i, null,
new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
break; // no lock when adding to empty bin
}
else if ((fh = f.hash) == MOVED)
//。。。。。
else {
V oldVal = null;
synchronized (f) {
// 。。。。。
}
//。。。。。
}
}
addCount(1L, binCount);
return null;
}

需要关注的是加锁对象synchronized (f)。对变量f代表就一个hash对应的一条链表,而加锁正好加的是这条链表,或者这颗红黑树上,另外索引为空时通过CAS的方式来创建一个新的节点。这也就是JDK 1.8引入的新机制CAS+锁。

那我们再看看JDK 1.7的做法是什么样的,就直接用一张图来直观感受吧

version 1.7的时候根据Segment来给每一链配锁,但是带来的问题就是hash搜索时间变长。不过相较于Hashtable而言,性能上还是更加出色的。因为分段锁的机制也就不影响两两段之间并不会存在锁的问题,也就提高了性能。

而相较于version 1.8来说,性能确是不足的,首先是引入了红黑树的原因,第二Segment的维护其他相较于现在是一个比较麻烦的过程。而后者调整为单个Node进行一个调整,需要进行调整的范围减小了,带来了两个好处,一是好管理,二是可同时操作的数量增加。

HashMap中的循环链

这是一个引申的内容,同样的分为version 1.71.8。当然产生的原因无非就是高并发的情况下,单线程处理的情况下怎么可能发生这种情况??

先讲讲version 1.7的循环链问题,和产生和这个问题的原因。

先让我们知道一下version 1.7的问题点在哪儿。

void transfer(Entry[] newTable)
{
Entry[] src = table;
int newCapacity = newTable.length;
// 很轻松是一个复制的工程
for (int j = 0; j < src.length; j++) {
Entry<K,V> e = src[j];
if (e != null) {
src[j] = null;
do {
Entry<K,V> next = e.next;
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
e = next;
} while (e != null);
}
}
}

整体来说就一个头插法的模式。

单线程情况下

我们说了是头插法,你能够看到最明显的地方就是7和3的位置互换。

高并发情况下

步骤一:

线程1获取到e = 3,且next = 7的时候被挂起,而线程2已经执行完毕,就会得到下图的结果。

步骤二:

那现在就是由线程1完成新的一份操作了,但是实际上整体数据已经修改,他手里的数据是一份脏数据,他保持了之前的数据,而之前数据的7,已经成为了现在的头。

步骤三:

步骤二后,3完成了插入,再将7拿到手了,但是发现7的next指针还是指向了3,那完了,就变成了3 -> 7 -> 3 -> 7 .......的死循环状态了。

其实1.8做过了改进,但是同样的会照成循环链的问题。

其实挺多博客都没version 1.8会说已经结束了这个问题,但是为什么再提,那还不是因为被发现这个问题依旧存在码。但是这次不是头插法了,是出现在树形和链表的数据结构转化上,具体就不复述了。

其实知道即可,因为谁高并发状况还要用HashMap,这不是明知山有虎,偏向虎山行的蠢笨做法嘛。

总结

其实总体来说就是性能上是HashMap > ConcurrentHashMap > Hashtable ,考虑上线程安全以后ConcurrentHashMap > Hashtable 。也就是基于这些原因才会出现后来我们在使用ConcurrentHashMap出现来替代Hashtable的情况。

红黑树也是我们对于性能优化的一种策略,但是从构建角度来看的话,红黑树的构建方式确实还是比较麻烦的,需要一定的逻辑基础。

发布于: 2020 年 06 月 22 日 阅读数: 9
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公众号:DevGW 2019.05.14 加入

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