面试官:为什么 HashMap 的加载因子是 0.75?

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发布于: 2020 年 07 月 08 日
面试官:为什么 HashMap 的加载因子是0.75?



由于细节内容实在太多啦,所以只把部分知识点截图出来粗略的介绍,每个小节点里面都有更细化的内容!

整理了一份Java核心知识点。覆盖了JVM、锁、并发、Java反射、Spring原理、微服务、Zookeeper、数据库、数据结构等大量知识点。

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有很多东西之前在学的时候没怎么注意,笔者也是在重温HashMap的时候发现有很多可以去细究的问题,最终是会回归于数学的,如HashMap的加载因子为什么是0.75?

本文主要对以下内容进行介绍:

  • 为什么HashMap需要加载因子?

  • 解决冲突有什么方法?

  • 为什么加载因子一定是0.75?而不是0.8,0.6?

为什么HashMap需要加载因子?

HashMap的底层是哈希表,是存储键值对的结构类型,它需要通过一定的计算才可以确定数据在哈希表中的存储位置:

static final int hash(Object key) {
    int h;
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
// AbstractMap
public int hashCode() {
     int h = 0;
     Iterator<Entry<K,V>> i = entrySet().iterator();
     while (i.hasNext())
         h += i.next().hashCode();

     return h;
}

一般的数据结构,不是查询快就是插入快,HashMap就是一个插入慢、查询快的数据结构。

但这种数据结构容易产生两种问题:① 如果空间利用率高,那么经过的哈希算法计算存储位置的时候,会发现很多存储位置已经有数据了(哈希冲突);② 如果为了避免发生哈希冲突,增大数组容量,就会导致空间利用率不高。

而加载因子就是表示Hash表中元素的填满程度。

加载因子 = 填入表中的元素个数 / 散列表的长度

加载因子越大,填满的元素越多,空间利用率越高,但发生冲突的机会变大了;

加载因子越小,填满的元素越少,冲突发生的机会减小,但空间浪费了更多了,而且还会提高扩容rehash操作的次数。

冲突的机会越大,说明需要查找的数据还需要通过另一个途径查找,这样查找的成本就越高。因此,必须在“冲突的机会”与“空间利用率”之间,寻找一种平衡与折衷。

所以我们也能知道,影响查找效率的因素主要有这几种:

  • 散列函数是否可以将哈希表中的数据均匀地散列?

  • 怎么处理冲突?

  • 哈希表的加载因子怎么选择?

本文主要对后两个问题进行介绍。

解决冲突有什么方法?

1. 开放定址法

Hi = (H(key) + di) MOD m,其中i=1,2,…,k(k<=m-1)

H(key)为哈希函数,m为哈希表表长,di为增量序列,i为已发生冲突的次数。其中,开放定址法根据步长不同可以分为3种:

1.1 线性探查法(Linear Probing):di = 1,2,3,…,m-1

简单地说,就是以当前冲突位置为起点,步长为1循环查找,直到找到一个空的位置,如果循环完了都占不到位置,就说明容器已经满了。举个栗子,就像你在饭点去街上吃饭,挨家去看是否有位置一样。

1.2 平方探测法(Quadratic Probing):di = ±12, ±22,±32,…,±k2(k≤m/2)

相对于线性探查法,这就相当于的步长为di = i2来循环查找,直到找到空的位置。以上面那个例子来看,现在你不是挨家去看有没有位置了,而是拿手机算去第i2家店,然后去问这家店有没有位置。

1.3 伪随机探测法:di = 伪随机数序列

这个就是取随机数来作为步长。还是用上面的例子,这次就是完全按心情去选一家店问有没有位置了。

但开放定址法有这些缺点:

  • 这种方法建立起来的哈希表,当冲突多的时候数据容易堆集在一起,这时候对查找不友好;

  • 删除结点的时候不能简单将结点的空间置空,否则将截断在它填入散列表之后的同义词结点查找路径。因此如果要删除结点,只能在被删结点上添加删除标记,而不能真正删除结点;

  • 如果哈希表的空间已经满了,还需要建立一个溢出表,来存入多出来的元素。

2. 再哈希法

Hi = RHi(key), 其中i=1,2,…,k

RHi()函数是不同于H()的哈希函数,用于同义词发生地址冲突时,计算出另一个哈希函数地址,直到不发生冲突位置。这种方法不容易产生堆集,但是会增加计算时间。

所以再哈希法的缺点是:增加了计算时间。

3. 建立一个公共溢出区

假设哈希函数的值域为[0, m-1],设向量HashTable[0,…,m-1]为基本表,每个分量存放一个记录,另外还设置了向量OverTable[0,…,v]为溢出表。基本表中存储的是关键字的记录,一旦发生冲突,不管他们哈希函数得到的哈希地址是什么,都填入溢出表。

但这个方法的缺点在于:查找冲突数据的时候,需要遍历溢出表才能得到数据。

4. 链地址法(拉链法)

将冲突位置的元素构造成链表。在添加数据的时候,如果哈希地址与哈希表上的元素冲突,就放在这个位置的链表上。

拉链法的优点:

  • 处理冲突的方式简单,且无堆集现象,非同义词绝不会发生冲突,因此平均查找长度较短;

  • 由于拉链法中各链表上的结点空间是动态申请的,所以它更适合造表前无法确定表长的情况;

  • 删除结点操作易于实现,只要简单地删除链表上的相应的结点即可。

拉链法的缺点:需要额外的存储空间。

从HashMap的底层结构中我们可以看到,HashMap采用是数组+链表/红黑树的组合来作为底层结构,也就是开放地址法+链地址法的方式来实现HashMap。

为什么HashMap加载因子一定是0.75?而不是0.8,0.6?

从上文我们知道,HashMap的底层其实也是哈希表(散列表),而解决冲突的方式是链地址法。HashMap的初始容量大小默认是16,为了减少冲突发生的概率,当HashMap的数组长度到达一个临界值的时候,就会触发扩容,把所有元素rehash之后再放在扩容后的容器中,这是一个相当耗时的操作。

而这个临界值就是由加载因子和当前容器的容量大小来确定的:

临界值 = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR

即默认情况下是16x0.75=12时,就会触发扩容操作。

那么为什么选择了0.75作为HashMap的加载因子呢?这个跟一个统计学里很重要的原理——泊松分布有关。

泊松分布是统计学和概率学常见的离散概率分布,适用于描述单位时间内随机事件发生的次数的概率分布。有兴趣的读者可以看看维基百科或者阮一峰老师的这篇文章:泊松分布和指数分布:10分钟教程[1]

等号的左边,P 表示概率,N表示某种函数关系,t 表示时间,n 表示数量。等号的右边,λ 表示事件的频率。

在HashMap的源码中有这么一段注释:

* Ideally, under random hashCodes, the frequency of
* nodes in bins follows a Poisson distribution
* (http://en.wikipedia.org/wiki/Poisson_distribution) with a
* parameter of about 0.5 on average for the default resizing
* threshold of 0.75, although with a large variance because of
* resizing granularity. Ignoring variance, the expected
* occurrences of list size k are (exp(-0.5) * pow(0.5, k) /
* factorial(k)). The first values are:
* 0:    0.60653066
* 1:    0.30326533
* 2:    0.07581633
* 3:    0.01263606
* 4:    0.00157952
* 5:    0.00015795
* 6:    0.00001316
* 7:    0.00000094
* 8:    0.00000006
* more: less than 1 in ten million

在理想情况下,使用随机哈希码,在扩容阈值(加载因子)为0.75的情况下,节点出现在频率在Hash桶(表)中遵循参数平均为0.5的泊松分布。忽略方差,即X = λt,P(λt = k),其中λt = 0.5的情况,按公式:

计算结果如上述的列表所示,当一个bin中的链表长度达到8个元素的时候,概率为0.00000006,几乎是一个不可能事件。

所以我们可以知道,其实常数0.5是作为参数代入泊松分布来计算的,而加载因子0.75是作为一个条件,当HashMap长度为length/size ≥ 0.75时就扩容,在这个条件下,冲突后的拉链长度和概率结果为:

0:    0.60653066
1:    0.30326533
2:    0.07581633
3:    0.01263606
4:    0.00157952
5:    0.00015795
6:    0.00001316
7:    0.00000094
8:    0.00000006

那么为什么不可以是0.8或者0.6呢?

HashMap中除了哈希算法之外,有两个参数影响了性能:初始容量和加载因子。初始容量是哈希表在创建时的容量,加载因子是哈希表在其容量自动扩容之前可以达到多满的一种度量。

在维基百科来描述加载因子:

对于开放定址法,加载因子是特别重要因素,应严格限制在0.7-0.8以下。超过0.8,查表时的CPU缓存不命中(cache missing)按照指数曲线上升。因此,一些采用开放定址法的hash库,如Java的系统库限制了加载因子为0.75,超过此值将resize散列表。

在设置初始容量时应该考虑到映射中所需的条目数及其加载因子,以便最大限度地减少扩容rehash操作次数,所以,一般在使用HashMap时建议根据预估值设置初始容量,以便减少扩容操作。

选择0.75作为默认的加载因子,完全是时间和空间成本上寻求的一种折衷选择。

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