引言
由於近期忙着搬家，又偷懶了幾個禮拜！
其實我很早以前就想寫一篇關於HashMap的面試專題。對於JAVA求職者來說，HashMap可謂是集合類的重中之重，甚至你在復習的時候，其他集合類都不用看，專攻HashMap即可。
然而，鑒於網上大部分的關於HashMap的面試方向文章，煙哥看過后都不是太滿意。因此，斗膽嘗試也寫一篇關於HashMap的面試專題文章!
正文
(1)HashMap的實現原理?
此題可以組成如下連環炮來問
- 你看過HashMap源碼嘛，知道原理嘛?
- 為什么用數組+鏈表？
- hash沖突你還知道哪些解決辦法？
- 我用LinkedList代替數組結構可以么?
- 既然是可以的,為什么HashMap不用LinkedList,而選用數組?
你看過HashMap源碼嘛，知道原理嘛?
針對這個問題，嗯，當然是必須看過HashMap源碼。至於原理，下面那張圖很清楚了:
HashMap采用Entry數組來存儲key-value對，每一個鍵值對組成了一個Entry實體，Entry類實際上是一個單向的鏈表結構，它具有Next指針，可以連接下一個Entry實體。
只是在JDK1.8中，鏈表長度大於8的時候，鏈表會轉成紅黑樹！
為什么用數組+鏈表？
數組是用來確定桶的位置，利用元素的key的hash值對數組長度取模得到.
鏈表是用來解決hash沖突問題，當出現hash值一樣的情形，就在數組上的對應位置形成一條鏈表。
ps:這里的hash值並不是指hashcode，而是將hashcode高低十六位異或過的。至於為什么要這么做，繼續往下看。
hash沖突你還知道哪些解決辦法？
比較出名的有四種(1)開放定址法(2)鏈地址法(3)再哈希法(4)公共溢出區域法
ps:大家有興趣拓展的，自己去搜一下就懂了，這個就不拓展了！
我用LinkedList代替數組結構可以么?
這里我稍微說明一下，此題的意思是，源碼中是這樣的
Entry[] table = new Entry[capacity];
ps：Entry就是一個鏈表節點。
那我用下面這樣表示
List<Entry> table = new LinkedList<Entry>();
是否可行?
答案很明顯，必須是可以的。
既然是可以的,為什么HashMap不用LinkedList,而選用數組?
因為用數組效率最高！
在HashMap中，定位桶的位置是利用元素的key的哈希值對數組長度取模得到。此時，我們已得到桶的位置。顯然數組的查找效率比LinkedList大。
那ArrayList，底層也是數組，查找也快啊，為啥不用ArrayList?
(煙哥寫到這里的時候，不禁覺得自己真有想法，自己把自己問死了，還好我靈機一動想出了答案)
因為采用基本數組結構，擴容機制可以自己定義，HashMap中數組擴容剛好是2的次冪，在做取模運算的效率高。
而ArrayList的擴容機制是1.5倍擴容，那ArrayList為什么是1.5倍擴容這就不在本文說明了。
(2)HashMap在什么條件下擴容?
此題可以組成如下連環炮來問
- HashMap在什么條件下擴容?
- 為什么擴容是2的n次冪?
- 為什么為什么要先高16位異或低16位再取模運算?
HashMap在什么條件下擴容?
如果bucket滿了(超過load factor*current capacity)，就要resize。
load factor為0.75，為了最大程度避免哈希沖突
current capacity為當前數組大小。
為什么擴容是2的次冪?
HashMap為了存取高效，要盡量較少碰撞，就是要盡量把數據分配均勻，每個鏈表長度大致相同，這個實現就在把數據存到哪個鏈表中的算法； 這個算法實際就是取模，hash%length。
但是，大家都知道這種運算不如位移運算快。
因此，源碼中做了優化hash&(length-1)。
也就是說hash%length==hash&(length-1)
那為什么是2的n次方呢？
因為2的n次方實際就是1后面n個0，2的n次方-1，實際就是n個1。
例如長度為8時候，3&(8-1)=3 2&(8-1)=2 ，不同位置上，不碰撞。
而長度為5的時候，3&(5-1)=0 2&(5-1)=0，都在0上，出現碰撞了。
所以，保證容積是2的n次方，是為了保證在做(length-1)的時候，每一位都能&1 ，也就是和1111……1111111進行與運算。
為什么為什么要先高16位異或低16位再取模運算?
我先曬一下，jdk1.8里的hash方法。1.7的比較復雜，咱就不看了。
hashmap這么做，只是為了降低hash沖突的幾率。打個比方，
當我們的length為16的時候，哈希碼(字符串“abcabcabcabcabc”的key對應的哈希碼)對(16-1)與操作，對於多個key生成的hashCode，只要哈希碼的后4位為0，不論不論高位怎么變化，最終的結果均為0。
如下圖所示
而加上高16位異或低16位的“擾動函數”后，結果如下
可以看到: 擾動函數優化前：1954974080 % 16 = 1954974080 & (16 - 1) = 0 擾動函數優化后：1955003654 % 16 = 1955003654 & (16 - 1) = 6 很顯然，減少了碰撞的幾率。
(3)講講hashmap的get/put的過程?
此題可以組成如下連環炮來問
- 知道hashmap中put元素的過程是什么樣么?
- 知道hashmap中get元素的過程是什么樣么？
- 你還知道哪些hash算法？
- 說說String中hashcode的實現?(此題很多大廠問過)
知道hashmap中put元素的過程是什么樣么?
對key的hashCode()做hash運算，計算index;
如果沒碰撞直接放到bucket里；
如果碰撞了，以鏈表的形式存在buckets后；
如果碰撞導致鏈表過長(大於等於TREEIFY_THRESHOLD)，就把鏈表轉換成紅黑樹(JDK1.8中的改動)；
如果節點已經存在就替換old value(保證key的唯一性)
如果bucket滿了(超過load factor*current capacity)，就要resize。
知道hashmap中get元素的過程是什么樣么?
對key的hashCode()做hash運算，計算index;
如果在bucket里的第一個節點里直接命中，則直接返回；
如果有沖突，則通過key.equals(k)去查找對應的Entry;
- 若為樹，則在樹中通過key.equals(k)查找，O(logn)；
- 若為鏈表，則在鏈表中通過key.equals(k)查找，O(n)。
你還知道哪些hash算法？
先說一下hash算法干嘛的，Hash函數是指把一個大范圍映射到一個小范圍。把大范圍映射到一個小范圍的目的往往是為了節省空間，使得數據容易保存。
比較出名的有MurmurHash、MD4、MD5等等
說說String中hashcode的實現?(此題頻率很高)
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類中的hashCode計算方法還是比較簡單的，就是以31為權，每一位為字符的ASCII值進行運算，用自然溢出來等效取模。
哈希計算公式可以計為s[0]*31^(n-1) + s[1]*31^(n-2) + ... + s[n-1]
那為什么以31為質數呢?
主要是因為31是一個奇質數，所以31*i=32*i-i=(i<<5)-i，這種位移與減法結合的計算相比一般的運算快很多。
(4)為什么hashmap的在鏈表元素數量超過8時改為紅黑樹?
此題可以組成如下連環炮來問
- 知道jdk1.8中hashmap改了啥么?
- 為什么在解決hash沖突的時候，不直接用紅黑樹?而選擇先用鏈表，再轉紅黑樹?
- 我不用紅黑樹，用二叉查找樹可以么?
- 那為什么閥值是8呢?
- 當鏈表轉為紅黑樹后，什么時候退化為鏈表?
知道jdk1.8中hashmap改了啥么?
- 由數組+鏈表的結構改為數組+鏈表+紅黑樹。
- 優化了高位運算的hash算法：h^(h>>>16)
- 擴容后，元素要么是在原位置，要么是在原位置再移動2次冪的位置，且鏈表順序不變。
最后一條是重點，因為最后一條的變動，hashmap在1.8中，不會在出現死循環問題。
為什么在解決hash沖突的時候，不直接用紅黑樹?而選擇先用鏈表，再轉紅黑樹?
因為紅黑樹需要進行左旋，右旋，變色這些操作來保持平衡，而單鏈表不需要。
當元素小於8個當時候，此時做查詢操作，鏈表結構已經能保證查詢性能。當元素大於8個的時候，此時需要紅黑樹來加快查詢速度，但是新增節點的效率變慢了。
因此，如果一開始就用紅黑樹結構，元素太少，新增效率又比較慢，無疑這是浪費性能的。
我不用紅黑樹，用二叉查找樹可以么?
可以。但是二叉查找樹在特殊情況下會變成一條線性結構（這就跟原來使用鏈表結構一樣了，造成很深的問題），遍歷查找會非常慢。
那為什么閥值是8呢?
不知道，等jdk作者來回答。
這道題，網上能找到的答案都是扯淡。
我隨便貼一個牛客網的答案，如下圖所示
看出bug沒？交點是6.64？交點分明是4，好么。
log4=2，4/2=2。
jdk作者選擇8，一定經過了嚴格的運算，覺得在長度為8的時候，與其保證鏈表結構的查找開銷，不如轉換為紅黑樹，改為維持其平衡開銷。
當鏈表轉為紅黑樹后，什么時候退化為鏈表?
為6的時候退轉為鏈表。中間有個差值7可以防止鏈表和樹之間頻繁的轉換。假設一下，如果設計成鏈表個數超過8則鏈表轉換成樹結構，鏈表個數小於8則樹結構轉換成鏈表，如果一個HashMap不停的插入、刪除元素，鏈表個數在8左右徘徊，就會頻繁的發生樹轉鏈表、鏈表轉樹，效率會很低。
(5)HashMap的並發問題?
此題可以組成如下連環炮來問
- HashMap在並發編程環境下有什么問題啊?
- 在jdk1.8中還有這些問題么?
- 你一般怎么解決這些問題的？
HashMap在並發編程環境下有什么問題啊?
- (1)多線程擴容，引起的死循環問題
- (2)多線程put的時候可能導致元素丟失
- (3)put非null元素后get出來的卻是null
在jdk1.8中還有這些問題么?
在jdk1.8中，死循環問題已經解決。其他兩個問題還是存在。
你一般怎么解決這些問題的？
比如ConcurrentHashmap，Hashtable等線程安全等集合類。
(6)你一般用什么作為HashMap的key?
此題可以組成如下連環炮來問
- 健可以為Null值么?
- 你一般用什么作為HashMap的key?
- 我用可變類當HashMap的key有什么問題?
- 如果讓你實現一個自定義的class作為HashMap的key該如何實現？
健可以為Null值么?
必須可以，key為null的時候，hash算法最后的值以0來計算，也就是放在數組的第一個位置。
你一般用什么作為HashMap的key?
一般用Integer、String這種不可變類當HashMap當key，而且String最為常用。
- (1)因為字符串是不可變的，所以在它創建的時候hashcode就被緩存了，不需要重新計算。這就使得字符串很適合作為Map中的鍵，字符串的處理速度要快過其它的鍵對象。這就是HashMap中的鍵往往都使用字符串。
- (2)因為獲取對象的時候要用到equals()和hashCode()方法，那么鍵對象正確的重寫這兩個方法是非常重要的,這些類已經很規范的覆寫了hashCode()以及equals()方法。
我用可變類當HashMap的key有什么問題?
hashcode可能發生改變，導致put進去的值，無法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發生了改變
System.out.println(changeMap.get(list));
輸出值如下
java.lang.Object@74a14482
null
如果讓你實現一個自定義的class作為HashMap的key該如何實現？
此題考察兩個知識點
- 重寫hashcode和equals方法注意什么?
- 如何設計一個不變類
針對問題一，記住下面四個原則即可
(1)兩個對象相等，hashcode一定相等
(2)兩個對象不等，hashcode不一定不等
(3)hashcode相等，兩個對象不一定相等
(4)hashcode不等，兩個對象一定不等
針對問題二，記住如何寫一個不可變類
(1)類添加final修飾符，保證類不被繼承。
如果類可以被繼承會破壞類的不可變性機制，只要繼承類覆蓋父類的方法並且繼承類可以改變成員變量值，那么一旦子類以父類的形式出現時，不能保證當前類是否可變。
(2)保證所有成員變量必須私有，並且加上final修飾
通過這種方式保證成員變量不可改變。但只做到這一步還不夠，因為如果是對象成員變量有可能再外部改變其值。所以第4點彌補這個不足。
(3)不提供改變成員變量的方法，包括setter
避免通過其他接口改變成員變量的值，破壞不可變特性。
(4)通過構造器初始化所有成員，進行深拷貝(deep copy)
如果構造器傳入的對象直接賦值給成員變量，還是可以通過對傳入對象的修改進而導致改變內部變量的值。例如：
public final class ImmutableDemo {
private final int[] myArray;
public ImmutableDemo(int[] array) {
this.myArray = array; // wrong
}
}
這種方式不能保證不可變性，myArray和array指向同一塊內存地址，用戶可以在ImmutableDemo之外通過修改array對象的值來改變myArray內部的值。
為了保證內部的值不被修改，可以采用深度copy來創建一個新內存保存傳入的值。正確做法：
public final class MyImmutableDemo {
private final int[] myArray;
public MyImmutableDemo(int[] array) {
this.myArray = array.clone();
}
}
(5)在getter方法中，不要直接返回對象本身，而是克隆對象，並返回對象的拷貝
這種做法也是防止對象外泄，防止通過getter獲得內部可變成員對象后對成員變量直接操作，導致成員變量發生改變。
總結
這篇文章能概括大部分HashMap的面試題了，希望大家有所收獲！