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一个 HashMap,阿里面试官竟然跟我扯了半个小时!,掌握这 6 大技能体系

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发布于: 2021 年 11 月 05 日

n |= n >>> 2;n |= n >>> 4;n |= n >>> 8;n |= n >>> 16;return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;}


补充:下图是详细过程,算法就是让初始二进制右移 1,2,4,8,16 位,分别与自己位或,把高位第一个为 1 的数通过不断右移,把高位为 1 的后面全变为 1,最后再进行+1 操作,111111 + 1 = 1000000 =?2 6 2^626?(符合大于 50 并且是 2 的整数次幂 )

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面试官: 你提到 hash 函数,你知道 HashMap 的哈希函数怎么设计的吗?


: hash 函数是先拿到 key 的 hashcode,是一个 32 位的 int 值,然后让 hashcode 的高 16 位和低 16 位进行异或操作。(问的真的挺细,不过,一般来说,都是根据前面的谈话继续的,如果自己答不上来,可以直接跟面试官说,但是可以表示自己对着方面也很感兴趣,或者请教对方)



面试官: 那你知道为什么这么设计吗?


: 这个也叫扰动函数,这么设计有二点原因:


  1. 一定要尽可能降低 hash 碰撞,越分散越好;

  2. 算法一定要尽可能高效,因为这是高频操作, 因此采用位运算;


面试官: 为什么采用 hashcode 的高 16 位和低 16 位异或能降低 hash 碰撞?hash 函数能不能直接用 key 的 hashcode?


(这问题就问的有点刁钻了我差点答不上来)


: 因为 key.hashCode()函数调用的是 key 键值类型自带的哈希函数,返回 int 型散列值。int 值范围为**-2147483648~2147483647**,前后加起来大概 40 亿的映射空间。只要哈希函数映射得比较均匀松散,一般应用是很难出现碰撞的。但问题是一个 40 亿长度的数组,内存是放不下的。你想,如果 HashMap 数组的初始大小才 16,用之前需要对数组的长度取模运算,得到的余数才能用来访问数组下标。(来自知乎-[胖君](


))


大家平时也可以多看一下大佬的技术文讲解,这样如果遇到了相关问题也能侃侃而谈。


源码中模运算就是把散列值和数组长度-1 做一个"与"操作,位运算比取余 %运算要快。


bucketIndex = indexFor(hash, table.length);


static int indexFor(int h, int length) {return h & (length-1);}


顺便说一下,这也正好解释了为什么 HashMap 的数组长度要取 2 的整数幂。因为这样(数组长度-1)正好相当于一个“低位掩码”。“与”操作的结果就是散列值的高位全部归零,只保留低位值,用来做数组下标访问。以初始长度 16 为例,16-1=15。2 进制表示是 00000000 00000000 00001111。和某散列值做“与”操作如下,结果就是截取了最低的四位值。

10100101 11000100 00100101& 00000000 00000000 00001111

00000000 00000000 00000101 //高位全部归零,只保留末四位


但这时候问题就来了,这样就算我的散列值分布再松散,要是只取最后几位的话,碰撞也会很严重。更要命的是如果散列本身做得不好,分布上成等差数列的漏洞,如果正好让最后几个低位呈现规律性重复,就无比蛋疼。


时候“扰动函数”的价值就体现出来了,说到这里大家应该猜出来了。看下面这个图,



右移 16 位,正好是 32bit 的一半,自己的高半区和低半区做异或,就是为了混合原始哈希码的高位和低位,以此来加大低位的随机性。而且混合后的低位掺杂了高位的部分特征,这样高位的信息也被变相保留下来。


最后我们来看一下 Peter Lawley 的一篇专栏文章《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。



结果显示,当 HashMap 数组长度为 512 的时候(2 9 2^929),也就是用掩码取低 9 位的时候,在没有扰动函数的情况下,发生了 103 次碰撞,接近 30%。而在使用了扰动函数之后只有 92 次碰撞。碰撞减少了将近 10%。看来扰动函数确实还是有功效的。


另外 Java1.8 相比 1.7 做了调整,1.7 做了四次移位和四次异或,但明显 Java 8 觉得扰动做一次就够了,做 4 次的话,多了可能边际效用也不大,所谓为了效率考虑就改成一次了。


下面是 1.7 的 hash 代码:


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


面试官: 你刚刚说到 1.8 对 hash 函数做了优化,1.8 还有别的优化吗?(感觉到我的准备还是很充足的)


: 1.8 还有三点主要的优化:


  1. 数组+链表改成了数组+链表或红黑树;

  2. 链表的插入方式从头插法改成了尾插法,简单说就是插入时,如果数组位置上已经有元素,1.7 将新元素放到数组中,原始节点作为新节点的后继节点,1.8 遍历链表,将元素放置到链表的最后;

  3. 扩容的时候 1.7 需要对原数组中的元素进行重新 hash 定位在新数组的位置,1.8 采用更简单的判断逻辑,位置不变或索引+旧容量大小;

  4. 在插入时,1.7 先判断是否需要扩容,再插入,1.8 先进行插入,插入完成再判断是否需要扩容;


面试官: 你分别跟我讲讲为什么要做这几点优化;


: 【咳咳,果然是连环炮】


  1. 防止发生 hash 冲突,链表长度过长,将时间复杂度由O(n)降为O(logn);

  2. 因为 1.7 头插法扩容时,头插法会使链表发生反转,多线程环境下会产生环;


A 线程在插入节点 B,B 线程也在插入,遇到容量不够开始扩容,重新 hash,放置元素,采用头插法,后遍历到的 B 节点放入了头部,这样形成了环,如下图所示:



1.7 的扩容调用 transfer 代码,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 线程如果执行到这一行挂起,B 线程开始进行扩容 newTable[i] = e;e = next;}}}


  1. 扩容的时候为什么 1.8 不用重新 hash 就可以直接定位原节点在新数据的位置呢?


这是由于扩容是扩大为原数组大小的 2 倍,用于计算数组位置的掩码仅仅只是高位多了一个 1,怎么理解呢?


扩容前长度为 16,用于计算(n-1) & hash 的二进制 n-1 为 0000 1111,扩容为 32 后的二进制就高位多了 1,为 0001 1111。


因为是 & 运算,1 和任何数 & 都是它本身,那就分二种情况,如下图:原数据 hashcode 高位第 4 位为 0 和高位为 1 的情况;


第四位高位为 0,重新 hash 数值不变,第四位为 1,重新 hash 数值比原来大 16(旧数组的容量)



面试官: 那 HashMap 是线程安全的吗?


: 不是,在多线程环境下,1.7 会产生死循环、数据丢失、数据覆盖的问题,1.8 中会有数据覆盖的问题,以 1.8 为例,当 A 线程判断 index 位置为空后正好挂起,B 线程开始往 index 位置的写入节点数据,这时 A 线程恢复现场,执行赋值操作,就把 A 线程的数据给覆盖了;还有++size 这个地方也会造成多线程同时扩容等问题。


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) //多线程执行到这里 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) // 这里很重要 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) // 多个线程走到这,可能重复 resize()resize();afterNodeInsertion(evict);return null;}


面试官: 那你平常怎么解决这个线程不安全的问题?


: Java 中有 HashTable、Collections.synchronizedMap、以及 ConcurrentHashMap 可以实现线程安全的 Map。


HashTable 是直接在操作方法上加 synchronized 关键字,锁住整个数组,粒度比较大,Collections.synchronizedMap 是使用 Collections 集合工具的内部类,通过传入 Map 封装出一个 SynchronizedMap 对象,内部定义了一个对象锁,方法内通过对象锁实现;ConcurrentHashMap 使用分段锁,降低了锁粒度,让并发度大大提高。


面试官: 那你知道 ConcurrentHashMap 的分段锁的实现原理吗?


: (来了来了熟悉的套路,熟悉的配方,【深挖】绝技)ConcurrentHashMap 成员变量使用 volatile 修饰,免除了指令重排序,同时保证内存可见性,另外使用 CAS 操作和 synchronized 结合实现赋值操作,多线程操作只会锁住当前操作索引的节点。


如下图,线程 A 锁住 A 节点所在链表,线程 B 锁住 B 节点所在链表,操作互不干涉。



面试官: 你前面提到链表转红黑树是链表长度达到阈值,这个阈值是多少?


: 阈值是 8,红黑树转链表阈值为 6


面试官: 为什么是 8,不是 16,32 甚至是 7 ?又为什么红黑树转链表的阈值是 6,不是 8 了呢?


: 【你去问作者啊!天啦撸,biubiubiu 真想 213 连招】因为作者就这么设计的,哦,不对,因为经过计算,在 hash 函数设计合理的情况下,发生 hash 碰撞 8 次的几率为百万分之 6,概率说话。。因为 8 够用了,至于为什么转回来是 6,因为如果 hash 碰撞次数在 8 附近徘徊,会一直发生链表和红黑树的互相转化,为了预防这种情况的发生。


面试官: HashMap 内部节点是有序的吗?


: 是无序的,根据 hash 值随机插入

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