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高薪程式員&面試題精講系列43之HashMap擴容機制的底層實作原理,HashMap擴容后是如何進行rehash操作的?

2021-12-23 09:31:31 其他

一. 面試題及剖析

1. 今日面試題

請說一下HashMap及其底層實作原理

HashMap中是如何計算key的hash值的?

HashMap是如何進行擴容的?

說說HashMap的擴容機制原理

HashMap擴容后是如何重新進行hash計算的?

......

2. 題目剖析

在前4篇文章中,壹哥 給大家介紹了HashMap的基本特點、底層資料結構、HashMap中的重要屬性,分析了HashMap的默認初始容量、負載因子,還有HashMap是如何保證其容量必須是2的N次方的,以及HashMap的put()方法執行流程,但在HashMap中,其底層內容非常的復雜,所以接下來在今天的文章中,壹哥 會繼續給大家剖析HashMap的底層原始碼,敬請關注哦,

前4篇文章地址如下:

高薪程式員&面試題精講系列39之說說HashMap的特點及其底層資料結構

高薪程式員&面試題精講系列40之HashMap默認初始容量、最大容量、負載因子是多少?鏈表轉紅黑樹閾值是多少?HashMap什么時候進行擴容?

高薪程式員&面試題精講系列41之HashMap的容量為什么必須是2的N次方?說說HashMap添加資料的流程吧

高薪程式員&面試題精講系列42之HashMap中如果出現沖突怎么解決?如何計算key的hash值、如何進行陣列索引定位?

二. HashMap的擴容機制(重點)

本節相關面試題:

HashMap的擴容機制是怎么樣的?

在HashMap的眾多面試題中,有一個題目始終無法被繞過去,那就是HashMap的擴容機制,

1. 擴容機制簡介

所謂的擴容(resize)機制,就是重新計算擴大陣列的容量,我們一直向HashMap陣列中添加新元素,當HashMap內部的陣列無法裝載更多的元素時,HashMap就需要擴大陣列原先的容量了,以便能裝入更多的元素,HashMap會遵循2倍擴容的原則,每次擴容之后陣列的大小都是擴容前的2倍,

2. 擴容觸發時機

那HashMap什么時候會進行擴容呢?壹哥 在這里給大家總結一下JDK 8中的HashMap,會在什么時候觸發resize()擴容方法,有以下幾種情況會觸發擴容機制:

①. 當HashMap中使用的位桶數量,達到 總容量*負載因子 的時候會觸發擴容;

②. 當某個位桶中的鏈表長度達到8,即將進行鏈表轉紅黑樹時,會檢查總位桶的數量是否小于64,如果總數量小于64也會進行擴容;

③. 當創建一個HashMap物件之后,第一次往HashMap里面進行put操作時,也會先進行擴容;

④. 另外在HashMap的put方法中,當HashMap的size(實際鍵值對個數)達到 threshold(閾值)時,也會觸發擴容操作,

3. resize()擴容方法原始碼

了解了HashMap的擴容時機之后,我們來看看這個擴容操作具體是怎么實作的,原始碼如下:

    final Node<K,V>[] resize() {
        //擴容前的Node陣列,先保存 table 副本,接下來 copy 到新陣列用
        Node<K,V>[] oldTab = table;
        //當前 table 的容量,是 length 而不是 size
        int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
        //當前桶的大小
        int oldThr = threshold;
        int newCap, newThr = 0;
        // 計算新的容量值和下一次要擴展的容量
        if (oldCap > 0) {
        //如果當前容量大于 0,也就是非第一次初始化的情況(擴容場景下)
            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
            // 當超過最大值,則直接使用最大值作為擴容最大限度,以后就不再擴充了
                threshold = Integer.MAX_VALUE;
                return oldTab;
            }
            // 沒超過最大值,就擴充為原來的2倍
            else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                     oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
                newThr = oldThr << 1; // double threshold
        }
        else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
            newCap = oldThr;
        else {               // zero initial threshold signifies using defaults
            newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
            newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
        }
        // 計算新的resize上限
        if (newThr == 0) {
            float ft = (float)newCap * loadFactor;
            newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                      (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
        }
        threshold = newThr;
        
        // 創建新的擴容后陣列,然后將舊的元素復制過去
        @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
        Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
        table = newTab;
        if (oldTab != null) {
            // 把每個bucket都移動到新的buckets中
            for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
                Node<K,V> e;
                //如果位置上沒有元素,直接為null
                if ((e = oldTab[j]) != null) {
                    oldTab[j] = null;
                    //如果只有一個元素,新的hash計算后放入新的陣列中
                    if (e.next == null)
                        newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                    //如果是樹狀結構,使用紅黑樹保存
                    else if (e instanceof TreeNode)
                        ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                    //如果是鏈表形式
                    else { // preserve order
                        Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                        Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                        Node<K,V> next;
                        do {
                            next = e.next;
                            //hash碰撞后高位為0,放入低Hash值的鏈表中
                            if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                                if (loTail == null)
                                    loHead = e;
                                else
                                    loTail.next = e;
                                loTail = e;
                            }
                            //hash碰撞后高位為1,放入高Hash值的鏈表中
                            else {
                                if (hiTail == null)
                                    hiHead = e;
                                else
                                    hiTail.next = e;
                                hiTail = e;
                            }
                        } while ((e = next) != null);
                        // 低hash值的鏈表放入陣列的原始位置
                        if (loTail != null) {
                            loTail.next = null;
                            newTab[j] = loHead;
                        }
                        // 高hash值的鏈表放入陣列的原始位置 + 原始容量
                        if (hiTail != null) {
                            hiTail.next = null;
                            newTab[j + oldCap] = hiHead;
                        }
                    }
                }
            }
        }
        
        return newTab;
}

在這段原始碼中,壹哥 把核心代碼都做了中文注釋,大家可以參考著閱讀理解,

4. HashMap擴容流程

上面的resize原始碼看起來挺讓人頭疼的,所以我們可以對其進行簡單梳理,歸納如下圖所示,大家可以結合上面的原始碼和下圖理解resize擴容程序,

?

5. 擴容機制原理(重點)

對HashMap的擴容程序有了基本的了解之后,我們再來看看擴容機制的底層實作原理,

我們知道,HashMap存盤結構的主體是一個table陣列,但Java中沒有真正的動態陣列,也就是說,陣列初始化的時候是多大,那它就一直是多大,那擴容是怎么實作的呢?答案就是HashMap會創建一個新的更大的陣列,將舊陣列中的資料拷貝過去,用這個新陣列代替已有的舊陣列,這就好比一開始我們用一個小桶裝水,后來想要裝更多的水,就得換一個更大的水桶,就是基于這樣的思路,

HashMap的擴容機制實作的很巧妙,可以用最小的性能消耗來完成擴容作業,但其內部在進行資料拷貝的時候需要考慮如下幾種情況:

①. 如果節點的 next屬性 為null,則說明這是一個最正常的節點,不是桶內鏈表,也不是紅黑樹,這樣的節點可以直接計算索引位置,然后插入,

②. 如果是一顆紅黑樹,會使用split方法進行處理,原理就是將紅黑樹拆分成兩個TreeNode鏈表,然后判斷每個鏈表的長度是否<=6,如果是,就將TreeNode轉換成桶內鏈表,否則再轉換成紅黑樹,

③. 如果是桶內鏈表,則將鏈表拷貝到新陣列中,保證鏈表的順序不變,

三. 擴容后的rehash操作

1. rehash操作簡介

HashMap在陣列擴容后,還需要進行一次新的rehash操作,以此來重新確定元素的存放位置,在rehash之后,元素的存放位置要么是在原位置,要么是在原位置的基礎上 向下移動 之前容量個數 的位置,比如,上次容量是16,下次擴容后容量變成了16+16=32,如果一個元素原先在下標為7的位置上,那么擴容后,該元素要么還在7的位置上,要么就在7+16的位置上,

2. rehash實作程序(重點)

有的小伙伴可能會問,為什么要這樣呢?下面 壹哥 來解釋一下Java 8的擴容機制是怎么做到這一點的,

2.1 擴容之前的hash程序

假設擴容前的資料結構如下圖所示:

?

此時我們有一個HashMap,在陣列索引為5的位置上產生了一個鏈表,依次存盤著2個key,分別為7、5,

假設此時HashMap的容量是默認的16,我們把容量設定為n,即n=16,key1、key2分別表示7、5這兩個key,hash1、hash2分別是key1、key2對應的hash值,

那么此時在擴容之前,n-1與hash1進行與運算,n-1與hash2進行與運算的結果如下圖所示:

?

經過與運算,我們會發現,在HashMap容量為16時,key1與key2與運算的結果相同,最終的結果都是在5這個位置上,運算程序如下:

n-1 也就是二進制的 0000 1111 = 1+2+4+8 = 15

key1 哈希值的最后 8 位為 0001 0101;

key2 哈希值的最后 8 位為0000 0101(和 key1 不同);

與運算后發生了哈希沖突,索引都在 0000 0101 =5 位置上,

2.2 擴容之后的hash程序

接下來我們將HashMap進行2倍擴容,那么此時HashMap的容量變成32,即n=32,接下來繼續把n-1與hash1進行與運算,n-1與hash2進行與運算,

?

我們會發現,此時計算的結果,key1與運算的結果是21,key2與運算的結果依然是5,運算程序如下:

n-1 也就是二進制的 0001 1111 = 1+2+4+8+16 = 31,擴容前是 0000 1111 = 15;

key1 哈希值的低位為 0001 0101;

key2 哈希值的低位為 0000 0101(和 key1 不同);

key1 做與運算后,索引為 0001 0101 = 21,

key2 做與運算后,索引為 0000 0101 = 5,

此時HashMap中存盤資料的結構圖如下所示:

?

所以擴容后,key1的索引就變成了 21 (1 0101),也就是 5+16,即 原來的索引+原來的容量我們可以用下圖表示:

?

因此,JDK 8中HashMap擴容時,不需要像JDK 7 那樣重新計算hash值,只需要看原來的hash值新增的bit位是1還是0就好了,是0,則表示索引沒變,是1,則表示索引變成了 “原索引+oldCap”,我們可以參照下圖中,容量16擴充為32的resize示意圖:

?

對于hash值的高位是否為1,只需要和擴容后的長度 做 與運算 就可以知道了因為擴容后的長度是2的n次方,所以高位必為1,低位必為0如10000這種形式,原始碼中是通過 e.hash & oldCap 來實作這個邏輯的,

這個設計非常的巧妙,既省去了重新計算hash值的時間,同時由于新增的1 bit是0 還是1可以認為是隨機的,因此resize的程序中,也把之前出現沖突的節點均勻地分散到了新的位桶中,這一塊就是JDK 8中新增的優化點,

另外還有一點需要我們注意,JDK 7中進行rehash的時候,舊鏈表遷移到新鏈表的時候,如果新鏈表所在的陣列索引位置相同,則鏈表元素會倒置,但是JDK 8中不會出現倒置現象,

四. 結語

好了,到此為止,壹哥 就帶各位把HashMap的擴容機制、rehash的原理 復習完畢,可以說這是目前為止最難搞、也最復雜的一個知識點了,不知道你有么有看明白呢?若有識訓,請給壹哥點個贊吧,

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    msf學習 以kali自帶的msf為例 一、msf核心模塊與功能 msf模塊都放在/usr/share/metasploit-framework/modules目錄下 1、auxiliary 輔助模塊,輔助滲透(埠掃描、登錄密碼爆破、漏洞驗證等) 2、encoders 編碼器模塊,主要包含各種編碼 ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:42:59 more
  • Halcon軟體安裝與界面簡介

    1. 下載Halcon17版本到到本地 2. 雙擊安裝包后 3. 步驟如下 1.2 Halcon軟體安裝 界面分為四大塊 1. Halcon的五個助手 1) 影像采集助手:與相機連接,設定相機引數,采集影像 2) 標定助手:九點標定或是其它的標定,生成標定檔案及內參外參,可以將像素單位轉換為長度單位 ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:42:17 more
  • 在MacOS下使用Unity3D開發游戲

    第一次發博客,先發一下我的游戲開發環境吧。 去年2月份買了一臺MacBookPro2021 M1pro(以下簡稱mbp),這一年來一直在用mbp開發游戲。我大致分享一下我的開發工具以及使用體驗。 1、Unity 官網鏈接: https://unity.cn/releases 我一般使用的Apple ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:40:19 more