Java面试全解析(14)集合详解之 Map

以下是 Map 的继承关系图:

avatar

Map 简介

Map 常用的实现类如下:

  • Hashtable:Java 早期提供的一个哈希表实现,它是线程安全的,不支持 null 键和值,因为它的性能不如 ConcurrentHashMap,所以很少被推荐使用。
  • HashMap:最常用的哈希表实现,如果程序中没有多线程的需求,HashMap 是一个很好的选择,支持 null 键和值,如果在多线程中可用 ConcurrentHashMap 替代。
  • TreeMap:基于红黑树的一种提供顺序访问的 Map,自身实现了 key 的自然排序,也可以指定 Comparator 来自定义排序。
  • LinkedHashMap:HashMap 的一个子类,保存了记录的插入顺序,可在遍历时保持与插入一样的顺序。

Map 常用方法

常用方法包括:put、remove、get、size 等,所有方法如下图:

enter image description here

使用示例,请参考以下代码:

Map hashMap = new HashMap();
// 增加元素
hashMap.put("name", "老王");
hashMap.put("age", "30");
hashMap.put("sex", "你猜");
// 删除元素
hashMap.remove("age");
// 查找单个元素
System.out.println(hashMap.get("age"));
// 循环所有的 key
for (Object k : hashMap.keySet()) {
    System.out.println(k);
}
// 循环所有的值
for (Object v : hashMap.values()) {
    System.out.println(v);
}

以上为 HashMap 的使用示例,其他类的使用也是类似。

HashMap 数据结构

HashMap 底层的数据是数组被成为哈希桶,每个桶存放的是链表,链表中的每个节点,就是 HashMap 中的每个元素。在 JDK 8 当链表长度大于等于 8 时,就会转成红黑树的数据结构,以提升查询和插入的效率。

HashMap 数据结构,如下图:

enter image description here

HashMap 重要方法

1)添加方法:put(Object key, Object value)

执行流程如下:

  • 对 key 进行 hash 操作,计算存储 index;
  • 判断是否有哈希碰撞,如果没碰撞直接放到哈希桶里,如果有碰撞则以链表的形式存储;
  • 判断已有元素的类型,决定是追加树还是追加链表,当链表大于等于 8 时,把链表转换成红黑树;
  • 如果节点已经存在就替换旧值;
  • 判断是否超过阀值,如果超过就要扩容。

源码及说明:

public V put(K key, V value) {
    // 对 key 进行 hash()
    return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
static final int hash(Object key) {
    int h;
  // 对 key 进行 hash() 的具体实现
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
               boolean evict) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
    // tab为空则创建
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        n = (tab = resize()).length;
    // 计算 index,并对 null 做处理
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    else {
        Node<K,V> e; K k;
        // 节点存在
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            e = p;
        // 该链为树
        else if (p instanceof TreeNode)
            e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
        // 该链为链表
        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;
            }
        }
        // 写入
        if (e != null) { // existing mapping for key
            V oldValue = e.value;
            if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                e.value = value;
            afterNodeAccess(e);
            return oldValue;
        }
    }
    ++modCount;
    // 超过load factor*current capacity,resize
    if (++size > threshold)
        resize();
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}

put() 执行流程图如下:

enter image description here

2)获取方法:get(Object key)

执行流程如下:

  • 首先比对首节点,如果首节点的 hash 值和 key 的 hash 值相同,并且首节点的键对象和 key 相同(地址相同或 equals 相等),则返回该节点;
  • 如果首节点比对不相同、那么看看是否存在下一个节点,如果存在的话,可以继续比对,如果不存在就意味着 key 没有匹配的键值对。

源码及说明:

public V get(Object key) {
  Node<K,V> e;
  return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}
/**
* 该方法是 Map.get 方法的具体实现
* 接收两个参数
* @param hash key 的 hash 值,根据 hash 值在节点数组中寻址,该 hash 值是通过 hash(key) 得到的
* @param key key 对象,当存在 hash 碰撞时,要逐个比对是否相等
* @return 查找到则返回键值对节点对象,否则返回 null
*/
final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k; // 声明节点数组对象、链表的第一个节点对象、循环遍历时的当前节点对象、数组长度、节点的键对象
    // 节点数组赋值、数组长度赋值、通过位运算得到求模结果确定链表的首节点
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
        (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
        if (first.hash == hash && // 首先比对首节点,如果首节点的 hash 值和 key 的 hash 值相同,并且首节点的键对象和 key 相同(地址相同或 equals 相等),则返回该节点
            ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            return first; // 返回首节点

        // 如果首节点比对不相同、那么看看是否存在下一个节点,如果存在的话,可以继续比对,如果不存在就意味着 key 没有匹配的键值对    
        if ((e = first.next) != null) {
            // 如果存在下一个节点 e,那么先看看这个首节点是否是个树节点
            if (first instanceof TreeNode)
                // 如果是首节点是树节点,那么遍历树来查找
                return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key); 

            // 如果首节点不是树节点,就说明还是个普通的链表,那么逐个遍历比对即可    
            do {
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) // 比对时还是先看 hash 值是否相同、再看地址或 equals
                    return e; // 如果当前节点e的键对象和key相同,那么返回 e
            } while ((e = e.next) != null); // 看看是否还有下一个节点,如果有,继续下一轮比对,否则跳出循环
        }
    }
    return null; // 在比对完了应该比对的树节点 或者全部的链表节点 都没能匹配到 key,那么就返回 null

相关面试题

1.Map 常见实现类有哪些?

答:Map 的常见实现类如下列表:

  • Hashtable:Java 早期提供的一个哈希表实现,它是线程安全的,不支持 null 键和值,因为它的性能不如 ConcurrentHashMap,所以很少被推荐使用;
  • HashMap:最常用的哈希表实现,如果程序中没有多线程的需求,HashMap 是一个很好的选择,支持 null 键和值,如果在多线程中可用 ConcurrentHashMap 替代;
  • TreeMap:基于红黑树的一种提供顺序访问的 Map,自身实现了 key 的自然排序,也可以指定的 Comparator 来自定义排序;
  • LinkedHashMap:HashMap 的一个子类,保存了记录的插入顺序,可在遍历时保持与插入一样的顺序。

2.使用 HashMap 可能会遇到什么问题?如何避免?

答:HashMap 在并发场景中可能出现死循环的问题,这是因为 HashMap 在扩容的时候会对链表进行一次倒序处理,假设两个线程同时执行扩容操作,第一个线程正在执行 B→A 的时候,第二个线程又执行了 A→B ,这个时候就会出现 B→A→B 的问题,造成死循环。
解决的方法:升级 JDK 版本,在 JDK 8 之后扩容不会再进行倒序,因此死循环的问题得到了极大的改善,但这不是终极的方案,因为 HashMap 本来就不是用在多线程版本下的,如果是多线程可使用 ConcurrentHashMap 替代 HashMap。

3.以下说法正确的是?

A:Hashtable 和 HashMap 都是非线程安全的
B:ConcurrentHashMap 允许 null 作为 key
C:HashMap 允许 null 作为 key
D:Hashtable 允许 null 作为 key
答:C
题目解析:Hashtable 是线程安全的,ConcurrentHashMap 和 Hashtable 是不允许 null 作为键和值的。

4.TreeMap 怎么实现根据 value 值倒序?

答:使用 Collections.sort(list, new Comparator<Map.Entry<String, String>>() 自定义比较器实现,先把 TreeMap 转换为 ArrayList,在使用 Collections.sort() 根据 value 进行倒序,完整的实现代码如下。

TreeMap<String, String> treeMap = new TreeMap();
treeMap.put("dog", "dog");
treeMap.put("camel", "camel");
treeMap.put("cat", "cat");
treeMap.put("ant", "ant");
// map.entrySet() 转成 List
List<Map.Entry<String, String>> list = new ArrayList<>(treeMap.entrySet());
// 通过比较器实现比较排序
Collections.sort(list, new Comparator<Map.Entry<String, String>>() {
  public int compare(Map.Entry<String, String> m1, Map.Entry<String, String> m2) {
    return m2.getValue().compareTo(m1.getValue());
  }
});
// 打印结果
for (Map.Entry<String, String> item : list) {
  System.out.println(item.getKey() + ":" + item.getValue());
}

程序执行结果:

dog:dog
cat:cat
camel:camel
ant:ant

5.以下哪个 Set 实现了自动排序?

A:LinedHashSet
B:HashSet
C:TreeSet
D:AbstractSet

答:C

6.以下程序运行的结果是什么?

Hashtable hashtable = new Hashtable();
hashtable.put("table", null);
System.out.println(hashtable.get("table"));

答:程序执行报错:java.lang.NullPointerException。Hashtable 不允许 null 键和值。

7.HashMap 有哪些重要的参数?用途分别是什么?

答:HashMap 有两个重要的参数:容量(Capacity)和负载因子(LoadFactor)。

  • 容量(Capacity):是指 HashMap 中桶的数量,默认的初始值为 16。
  • 负载因子(LoadFactor):也被称为装载因子,LoadFactor 是用来判定 HashMap 是否扩容的依据,默认值为 0.75f,装载因子的计算公式 = HashMap 存放的 KV 总和(size)/ Capacity。

8.HashMap 和 Hashtable 有什么区别?

答:HashMap 和 Hashtable 区别如下:

  • Hashtable 使用了 synchronized 关键字来保障线程安全,而 HashMap 是非线程安全的;
  • HashMap 允许 K/V 都为 null,而 Hashtable K/V 都不允许 null;
  • HashMap 继承自 AbstractMap 类;而 Hashtable 继承自 Dictionary 类。

9.什么是哈希冲突?

答:当输入两个不同值,根据同一散列函数计算出相同的散列值的现象,我们就把它叫做碰撞(哈希碰撞)。

10.有哪些方法可以解决哈希冲突?

答:哈希冲突的常用解决方案有以下 4 种。

  • 开放定址法:当关键字的哈希地址 p=H(key)出现冲突时,以 p 为基础,产生另一个哈希地址 p1,如果 p1 仍然冲突,再以 p 为基础,产生另一个哈希地址 p2,循环此过程直到找出一个不冲突的哈希地址,将相应元素存入其中。
  • 再哈希法:这种方法是同时构造多个不同的哈希函数,当哈希地址 Hi=RH1(key)发生冲突时,再计算 Hi=RH2(key),循环此过程直到找到一个不冲突的哈希地址,这种方法唯一的缺点就是增加了计算时间。
  • 链地址法:这种方法的基本思想是将所有哈希地址为 i 的元素构成一个称为同义词链的单链表,并将单链表的头指针存在哈希表的第 i 个单元中,因而查找、插入和删除主要在同义词链中进行。链地址法适用于经常进行插入和删除的情况。
  • 建立公共溢出区:将哈希表分为基本表和溢出表两部分,凡是和基本表发生冲突的元素,一律填入溢出表。

11.HashMap 使用哪种方法来解决哈希冲突(哈希碰撞)?

答:HashMap 使用链表和红黑树来解决哈希冲突,详见本文 put() 方法的执行过程。

12.HashMap 的扩容为什么是 2^n ?

答:这样做的目的是为了让散列更加均匀,从而减少哈希碰撞,以提供代码的执行效率。

13.有哈希冲突的情况下 HashMap 如何取值?

答:如果有哈希冲突,HashMap 会循环链表中的每项 key 进行 equals 对比,返回对应的元素。相关源码如下:

do {
    if (e.hash == hash &&
        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) // 比对时还是先看 hash 值是否相同、再看地址或 equals
        return e; // 如果当前节点 e 的键对象和 key 相同,那么返回 e
} while ((e = e.next) != null); // 看看是否还有下一个节点,如果有,继续下一轮比对,否则跳出循环

14.以下程序会输出什么结果?

class Person {
    private Integer age;
    public boolean equals(Object o) {
        if (o == null || !(o instanceof Person)) {
            return false;
        } else {
            return this.getAge().equals(((Person) o).getAge());
        }
    }
    public int hashCode() {
        return age.hashCode();
    }
    public Person(int age) {
        this.age = age;
    }
    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }
    public Integer getAge() {
        return age;
    }
    public static void main(String[] args) {
        HashMap<Person, Integer> hashMap = new HashMap<>();
        Person person = new Person(18);
        hashMap.put(person, 1);
        System.out.println(hashMap.get(new Person(18)));
    }
}

答:1
题目解析:因为 Person 重写了 equals 和 hashCode 方法,所有 person 对象和 new Person(18) 的键值相同,所以结果就是 1。

15.为什么重写 equals() 时一定要重写 hashCode()?

答:因为 Java 规定,如果两个对象 equals 比较相等(结果为 true),那么调用 hashCode 也必须相等。如果重写了 equals() 但没有重写 hashCode(),就会与规定相违背,比如以下代码(故意注释掉 hashCode 方法):

class Person {
    private Integer age;
    public boolean equals(Object o) {
        if (o == null || !(o instanceof Person)) {
            return false;
        } else {
            return this.getAge().equals(((Person) o).getAge());
        }
    }
//    public int hashCode() {
//        return age.hashCode();
//    }
    public Person(int age) {
        this.age = age;
    }
    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }
    public Integer getAge() {
        return age;
    }
    public static void main(String[] args) {
        Person p1 = new Person(18);
        Person p2 = new Person(18);
        System.out.println(p1.equals(p2));
        System.out.println(p1.hashCode() + " : " + p2.hashCode());
    }
}

执行的结果:

true
21685669 : 2133927002

如果重写 hashCode() 之后,执行的结果是:

true
18 : 18

这样就符合了 Java 的规定,因此重写 equals() 时一定要重写 hashCode()。

16.HashMap 在 JDK 7 多线程中使用会导致什么问题?

答:HashMap 在 JDK 7 中会导致死循环的问题。因为在 JDK 7 中,多线程进行 HashMap 扩容时会导致链表的循环引用,这个时候使用 get() 获取元素时就会导致死循环,造成 CPU 100% 的情况。

17.HashMap 在 JDK 7 和 JDK 8 中有哪些不同?

答:HashMap 在 JDK 7 和 JDK 8 的主要区别如下。

  • 存储结构:JDK 7 使用的是数组 + 链表;JDK 8 使用的是数组 + 链表 + 红黑树。
  • 存放数据的规则:JDK 7 无冲突时,存放数组;冲突时,存放链表;JDK 8 在没有冲突的情况下直接存放数组,有冲突时,当链表长度小于 8 时,存放在单链表结构中,当链表长度大于 8 时,树化并存放至红黑树的数据结构中。
  • 插入数据方式:JDK 7 使用的是头插法(先将原位置的数据移到后 1 位,再插入数据到该位置);JDK 8 使用的是尾插法(直接插入到链表尾部/红黑树)。

总结

通过本文可以了解到:

  • Map 的常用实现类 Hashtable 是 Java 早期的线程安全的哈希表实现;
  • HashMap 是最常用的哈希表实现,但它是非线程安全的,可使用 ConcurrentHashMap 替代;
  • TreeMap 是基于红黑树的一种提供顺序访问的哈希表实现;
  • LinkedHashMap 是 HashMap 的一个子类,保存了记录的插入顺序,可在遍历时保持与插入一样的顺序。

HashMap 在 JDK 7 可能在扩容时会导致链表的循环引用而造成 CPU 100%,HashMap 在 JDK 8 时数据结构变更为:数组 + 链表 + 红黑树的存储方式,在没有冲突的情况下直接存放数组,有冲突,当链表长度小于 8 时,存放在单链表结构中,当链表长度大于 8 时,树化并存放至红黑树的数据结构中。