小編帶你HashMap的工作原理

HashMap的工作原理是近年來常見的Java面試題。幾乎每個Java程序員都知道HashMap，都知道哪里要用HashMap，知道Hashtable和HashMap之間的區別，那么為何這道面試題如此特殊呢？是因為這道題考察的深度很深。這題經常出現在高級或中高級面試中。投資銀行更喜歡問這個問題，甚至會要求你實現HashMap來考察你的編程能力。ConcurrentHashMap和其它同步集合的引入讓這道題變得更加復雜。讓我們開始探索的旅程吧！

先來些簡單的問題
“你用過HashMap嗎？” “什么是HashMap？你為什么用到它？”

幾乎每個人都會回答“是的”，然后回答HashMap的一些特性，譬如HashMap可以接受null鍵值和值，而Hashtable則不能；HashMap是非synchronized;HashMap很快；以及HashMap儲存的是鍵值對等等。這顯示出你已經用過HashMap，而且對它相當的熟悉。但是面試官來個急轉直下，從此刻開始問出一些刁鉆的問題，關于HashMap的更多基礎的細節。面試官可能會問出下面的問題：

“你知道HashMap的工作原理嗎？” “你知道HashMap的get()方法的工作原理嗎？”

你也許會回答“我沒有詳查標準的Java API，你可以看看Java源代碼或者Open JDK。”“我可以用Google找到答案。”

但一些面試者可能可以給出答案，“HashMap是基于hashing的原理，我們使用put(key, value)存儲對象到HashMap中，使用get(key)從HashMap中獲取對象。當我們給put()方法傳遞鍵和值時，我們先對鍵調用hashCode()方法，返回的hashCode用于找到bucket位置來儲存Entry對象。”這里關鍵點在于指出，HashMap是在bucket中儲存鍵對象和值對象，作為Map.Entry。這一點有助于理解獲取對象的邏輯。如果你沒有意識到這一點，或者錯誤的認為僅僅只在bucket中存儲值的話，你將不會回答如何從HashMap中獲取對象的邏輯。這個答案相當的正確，也顯示出面試者確實知道hashing以及HashMap的工作原理。但是這僅僅是故事的開始，當面試官加入一些Java程序員每天要碰到的實際場景的時候，錯誤的答案頻現。下個問題可能是關于HashMap中的碰撞探測(collision detection)以及碰撞的解決方法：

“當兩個對象的hashcode相同會發生什么？” 從這里開始，真正的困惑開始了，一些面試者會回答因為hashcode相同，所以兩個對象是相等的，HashMap將會拋出異常，或者不會存儲它們。然后面試官可能會提醒他們有equals()和hashCode()兩個方法，并告訴他們兩個對象就算hashcode相同，但是它們可能并不相等。一些面試者可能就此放棄，而另外一些還能繼續挺進，他們回答“因為hashcode相同，所以它們的bucket位置相同，‘碰撞’會發生。因為HashMap使用鏈表存儲對象，這個Entry(包含有鍵值對的Map.Entry對象)會存儲在鏈表中。”這個答案非常的合理，雖然有很多種處理碰撞的方法，這種方法是最簡單的，也正是HashMap的處理方法。但故事還沒有完結，面試官會繼續問：

“如果兩個鍵的hashcode相同，你如何獲取值對象？” 面試者會回答：當我們調用get()方法，HashMap會使用鍵對象的hashcode找到bucket位置，然后獲取值對象。面試官提醒他如果有兩個值對象儲存在同一個bucket，他給出答案:將會遍歷鏈表直到找到值對象。面試官會問因為你并沒有值對象去比較，你是如何確定確定找到值對象的？除非面試者直到HashMap在鏈表中存儲的是鍵值對，否則他們不可能回答出這一題。

其中一些記得這個重要知識點的面試者會說，找到bucket位置之后，會調用keys.equals()方法去找到鏈表中正確的節點，最終找到要找的值對象。完美的答案！

許多情況下，面試者會在這個環節中出錯，因為他們混淆了hashCode()和equals()方法。因為在此之前hashCode()屢屢出現，而equals()方法僅僅在獲取值對象的時候才出現。一些優秀的開發者會指出使用不可變的、聲明作final的對象，并且采用合適的equals()和hashCode()方法的話，將會減少碰撞的發生，提高效率。不可變性使得能夠緩存不同鍵的hashcode，這將提高整個獲取對象的速度，使用String，Interger這樣的wrapper類作為鍵是非常好的選擇。

如果你認為到這里已經完結了，那么聽到下面這個問題的時候，你會大吃一驚。“如果HashMap的大小超過了負載因子(load factor)定義的容量，怎么辦？”除非你真正知道HashMap的工作原理，否則你將回答不出這道題。默認的負載因子大小為0.75，也就是說，當一個map填滿了75%的bucket時候，和其它集合類(如ArrayList等)一樣，將會創建原來HashMap大小的兩倍的bucket數組，來重新調整map的大小，并將原來的對象放入新的bucket數組中。這個過程叫作rehashing，因為它調用hash方法找到新的bucket位置。

如果你能夠回答這道問題，下面的問題來了：“你了解重新調整HashMap大小存在什么問題嗎？”你可能回答不上來，這時面試官會提醒你當多線程的情況下，可能產生條件競爭(race condition)。

當重新調整HashMap大小的時候，確實存在條件競爭，因為如果兩個線程都發現HashMap需要重新調整大小了，它們會同時試著調整大小。在調整大小的過程中，存儲在鏈表中的元素的次序會反過來，因為移動到新的bucket位置的時候，HashMap并不會將元素放在鏈表的尾部，而是放在頭部，這是為了避免尾部遍歷(tail traversing)。如果條件競爭發生了，那么就死循環了。這個時候，你可以質問面試官，為什么這么奇怪，要在多線程的環境下使用HashMap呢？：）

熱心的讀者貢獻了更多的關于HashMap的問題：

為什么String, Interger這樣的wrapper類適合作為鍵？ String, Interger這樣的wrapper類作為HashMap的鍵是再適合不過了，而且String最為常用。因為String是不可變的，也是final的，而且已經重寫了equals()和hashCode()方法了。其他的wrapper類也有這個特點。不可變性是必要的，因為為了要計算hashCode()，就要防止鍵值改變，如果鍵值在放入時和獲取時返回不同的hashcode的話，那么就不能從HashMap中找到你想要的對象。不可變性還有其他的優點如線程安全。如果你可以僅僅通過將某個field聲明成final就能保證hashCode是不變的，那么請這么做吧。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。如果兩個不相等的對象返回不同的hashcode的話，那么碰撞的幾率就會小些，這樣就能提高HashMap的性能。
我們可以使用自定義的對象作為鍵嗎？ 這是前一個問題的延伸。當然你可能使用任何對象作為鍵，只要它遵守了equals()和hashCode()方法的定義規則，并且當對象插入到Map中之后將不會再改變了。如果這個自定義對象時不可變的，那么它已經滿足了作為鍵的條件，因為當它創建之后就已經不能改變了。
我們可以使用CocurrentHashMap來代替Hashtable嗎？這是另外一個很熱門的面試題，因為ConcurrentHashMap越來越多人用了。我們知道Hashtable是synchronized的，但是ConcurrentHashMap同步性能更好，因為它僅僅根據同步級別對map的一部分進行上鎖。ConcurrentHashMap當然可以代替HashTable，但是HashTable提供更強的線程安全性。看看這篇博客查看Hashtable和ConcurrentHashMap的區別。
我個人很喜歡這個問題，因為這個問題的深度和廣度，也不直接的涉及到不同的概念。讓我們再來看看這些問題設計哪些知識點：

hashing的概念
HashMap中解決碰撞的方法
equals()和hashCode()的應用，以及它們在HashMap中的重要性
不可變對象的好處
HashMap多線程的條件競爭
重新調整HashMap的大小
總結
HashMap的工作原理
HashMap基于hashing原理，我們通過put()和get()方法儲存和獲取對象。當我們將鍵值對傳遞給put()方法時，它調用鍵對象的hashCode()方法來計算hashcode，讓后找到bucket位置來儲存值對象。當獲取對象時，通過鍵對象的equals()方法找到正確的鍵值對，然后返回值對象。HashMap使用鏈表來解決碰撞問題，當發生碰撞了，對象將會儲存在鏈表的下一個節點中。 HashMap在每個鏈表節點中儲存鍵值對對象。