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為什么HashMap的加載因子一定是0.75?而不是0.8,0.6?

2021-09-29 08:00:12 後端開發

JDK 8 中的 HashMap 是用陣列+鏈表+紅黑樹實作的,我們要想往 HashMap 中放資料或者取資料,就需要確定資料在陣列中的下標,

先把資料的鍵進行一次 hash:

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

再做一次取模運算確定下標:

i = (n - 1) & hash

哈希表這樣的資料結構容易產生兩個問題:

  • 陣列的容量過小,經過哈希計算后的下標,容易出現沖突;
  • 陣列的容量過大,導致空間利用率不高,

加載因子是用來表示 HashMap 中資料的填滿程度:

加載因子 = 填入哈希表中的資料個數 / 哈希表的長度

這就意味著:

  • 加載因子越小,填滿的資料就越少,哈希沖突的幾率就減少了,但浪費了空間,而且還會提高擴容的觸發幾率;
  • 加載因子越大,填滿的資料就越多,空間利用率就高,但哈希沖突的幾率就變大了,

好難!!!!

這就必須在“哈希沖突”與“空間利用率”兩者之間有所取舍,盡量保持平衡,誰也不礙著誰,

我們知道,HashMap 是通過拉鏈法來解決哈希沖突的,

為了減少哈希沖突發生的概率,當 HashMap 的陣列長度達到一個臨界值的時候,就會觸發擴容(可以點擊鏈接查看 HashMap 的擴容機制),擴容后會將之前小陣列中的元素轉移到大陣列中,這是一個相當耗時的操作,

這個臨界值由什么來確定呢?

臨界值 = 初始容量 * 加載因子

一開始,HashMap 的容量是 16:

static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16

加載因子是 0.75:

static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

也就是說,當 16*0.75=12 時,會觸發擴容機制,

為什么加載因子會選擇 0.75 呢?為什么不是0.8、0.6呢?

這跟統計學里的一個很重要的原理——泊松分布有關,

是時候上維基百科了:

泊松分布,是一種統計與概率學里常見到的離散概率分布,由法國數學家西莫恩·德尼·泊松在1838年時提出,它會對隨機事件的發生次數進行建模,適用于涉及計算在給定的時間段、距離、面積等范圍內發生隨機事件的次數的應用情形,

阮一峰老師曾在一篇博文中詳細的介紹了泊松分布和指數分布,大家可以去看一下,

鏈接:https://www.ruanyifeng.com/blog/2015/06/poisson-distribution.html

具體是用這么一個公式來表示的,

等號的左邊,P 表示概率,N表示某種函式關系,t 表示時間,n 表示數量,

在 HashMap 的 doc 檔案里,曾有這么一段描述:

Because TreeNodes are about twice the size of regular nodes, we
use them only when bins contain enough nodes to warrant use
(see TREEIFY_THRESHOLD). And when they become too small (due to
removal or resizing) they are converted back to plain bins.  In
usages with well-distributed user hashCodes, tree bins are
rarely used.  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

大致的意思就是:

因為 TreeNode(紅黑樹)的大小約為鏈表節點的兩倍,所以我們只有在一個拉鏈已經拉了足夠節點的時候才會轉為tree(參考TREEIFY_THRESHOLD),并且,當這個hash桶的節點因為移除或者擴容后resize數量變小的時候,我們會將樹再轉為拉鏈,如果一個用戶的資料的hashcode值分布得很均勻的話,就會很少使用到紅黑樹,

理想情況下,我們使用隨機的hashcode值,加載因子為0.75情況,盡管由于粒度調整會產生較大的方差,節點的分布頻率仍然會服從引數為0.5的泊松分布,鏈表的長度為 8 發生的概率僅有 0.00000006,

雖然這段話的本意更多的是表示 jdk 8中為什么拉鏈長度超過8的時候進行了紅黑樹轉換,但提到了 0.75 這個加載因子——但這并不是為什么加載因子是 0.75 的答案,

為了搞清楚到底為什么,我看到了這篇文章:

參考鏈接:https://segmentfault.com/a/1190000023308658

里面提到了一個概念:二項分布(二哥概率論沒學好,只能簡單說一說),

在做一件事情的時候,其結果的概率只有2種情況,和拋硬幣一樣,不是正面就是反面,

為此,我們做了 N 次實驗,那么在每次試驗中只有兩種可能的結果,并且每次實驗是獨立的,不同實驗之間互不影響,每次實驗成功的概率都是一樣的,

以此理論為基礎,我們來做這樣的實驗:我們往哈希表中扔資料,如果發生哈希沖突就為失敗,否則為成功,

我們可以設想,實驗的hash值是隨機的,并且經過hash運算的鍵都會映射到hash表的地址空間上,那么這個結果也是隨機的,所以,每次put的時候就相當于我們在扔一個16面(我們先假設默認長度為16)的骰子,扔骰子實驗那肯定是相互獨立的,碰撞發生即扔了n次有出現重復數字,

然后,我們的目的是啥呢?

就是擲了k次骰子,沒有一次是相同的概率,需要盡可能的大些,一般意義上我們肯定要大于0.5(這個數是個理想數,但是我是能接受的),

于是,n次事件里面,碰撞為0的概率,由上面公式得:

這個概率值需要大于0.5,我們認為這樣的hashmap可以提供很低的碰撞率,所以:

這時候,我們對于該公式其實最想求的時候長度s的時候,n為多少次就應該進行擴容了?而負載因子則是 n / s n/s n/s的值,所以推導如下:

所以可以得到

其中

這就是一個求 ∞?0函式極限問題,這里我們先令 s = m + 1 ( m → ∞ ) s = m+1(m \to \infty) s=m+1m則轉化為

我們再令 x = 1 m ( x → 0 ) x = \frac{1}{m} (x \to 0) x=m1?x0 則有,

所以,

考慮到 HashMap的容量有一個要求:它必須是2的n 次冪(這個之前的文章講過了,點擊鏈接回去可以再溫故一下),當加載因子選擇了0.75就可以保證它與容量的乘積為整數,

16*0.75=12
32*0.75=24

除了 0.75,0.5~1 之間還有 0.625(5/8)、0.875(7/8)可選,從中位數的角度,挑 0.75 比較完美,另外,維基百科上說,拉鏈法(解決哈希沖突的一種)的加載因子最好限制在 0.7-0.8以下,超過0.8,查表時的CPU快取不命中(cache missing)會按照指數曲線上升,

綜上,0.75 是個比較完美的選擇,


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