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HashMap底層原理全面詳解面試絕對不慌

 更新時間:2021年08月31日 09:42:02   作者:偶像java練習生  
這篇文章主要介紹了HashMap底層實現(xiàn)原理詳解,本文給大家介紹的非常詳細,對大家的學習或工作具有一定的參考借鑒價值,需要的朋友可以參考下

快速入門

存儲:put 方法 put(key,value)
查詢 : get 方法 get(key)
java 代碼如下

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class App {

   public static void main(String[] args) {
       Map<String,String> map = new HashMap<>();
       map.put("劉一","劉一");
       map.put("陳二","陳二");
       map.put("張三","張三");
       map.put("李四","李四");
       map.put("王五","王五");
       map.put("Money","我是猴哥Money老師");
       System.out.println(map.get("Money"));
   }
}
//輸出結果:我是猴哥Money老師

技術的本質(zhì)——底層結構

程序是等于我們的數(shù)據(jù)結構和算法

在這里插入圖片描述

HashMap 其實就是做存儲的,做存儲的就是數(shù)據(jù)結構

  • 在JDK7 : HashMap 是由 數(shù)組,鏈表 組成的
  • 在JDK8: HashMap 是由 數(shù)組,鏈表,紅黑樹 組成的

存儲是按上面的規(guī)則存儲的,那查詢是怎么查的了

  • 算法:哈希算法

結構構成

既然要了解HashMap 的組成,就談談它的結構組成

首先我們來說下數(shù)組,數(shù)組在java 中是怎么定義的了

    //數(shù)組:采用一段連續(xù)的存儲單元來存儲數(shù)據(jù)的
    //數(shù)組的特點: 查詢時間復雜度:0(1) ,刪除,插入,時間負責度0(N),總結:查詢塊,插入慢
    public static void main(String [] args){
        //數(shù)組的定義:初始化長度為10,數(shù)據(jù)類型Integer ,
        Integer integer[] = new Integer[10];
        //指定下標,復制
        integer[0]=0;
        //指定下標,復制
        integer[1]=1;
        //指定下標,復制
        integer[9]=2;
        //指定下標,復制
        integer[9]=400;
        System.out.println(integer[9]);
    }
    // 輸出結果:400

數(shù)組結構如圖:

在這里插入圖片描述

查詢: 時間復雜度 0(1),查詢非??斓?br /> 刪除,插入 :時間復雜度0(N) 非常慢的,效率沒有查詢那么快

為什么查詢快,插入,刪除慢了?

查詢快

  • 是因為我們數(shù)組了都有一個序號,如圖,0,1,2,3,4,5,… ,如果要找到下標為3的數(shù)據(jù)值, 這些序號其實就是他們的下標地址,可以理解為他們 的一個下標索引,這個下標是連續(xù)的,是自增的,所以我們立馬可以確定3個這個位置,根據(jù)這個索引3 找到它對應的節(jié)點。

在這里插入圖片描述

插入,刪除慢

  • 假如我現(xiàn)在要出入一個Monkey 的數(shù)據(jù),插入到3和4之間,如圖

在這里插入圖片描述

  • 存在這個位置我們是沒有下標的,則我們的下標4 則要移到 Monkey 那個位置,5下標 就移到4那個位置,如圖:

在這里插入圖片描述

類似,我們后面的下標都要向左移動,這樣我后面的數(shù)據(jù)是不是要做很大的改動,這樣時間復雜度則為0(N),這樣就保證了我們數(shù)組的連續(xù)性,同理刪除的話如圖:

在這里插入圖片描述

數(shù)組后面數(shù)據(jù)的下標,都要還原成之前插入前的下標,后面的節(jié)點都要改變,這樣我們可以看出,這就是數(shù)組,刪除,插入 為什么這么慢!
除非是插入,刪除,數(shù)組的最后一個元素,大家懂了嗎?還不懂那就私聊!

擴充:
大家知道我們java 哪一個類,底層用的就是數(shù)組?
在我們的java.util 包下面有一個ArrayList 類,如圖

在這里插入圖片描述

怎么驗證了?
我們查看它的add 方法

   public boolean add(E var1) {
        this.ensureCapacityInternal(this.size + 1);
        this.elementData[this.size++] = var1;
        return true;
    }

如果面試被問到ArrayList 的特性,直接回答 查詢快,插入,刪除慢

為什么要用鏈表

為什么HashMap 用到數(shù)組存儲了,還要用到鏈表了?

談談什么是鏈表?
在java 中是這么定義的:

package node;

import com.sun.org.apache.bcel.internal.generic.IMPDEP1;

public class Node {

    public Node next;
    private Object data;


    public Node(Object next) {
        this.data = next;
    }

    //鏈表:鏈表是一種物理存儲單元上非連續(xù),非順序的存儲結構
    //特點: 插入,刪除時間復雜度0(1) 查找遍歷時間復雜度0(N) 總結:插入快,查詢慢
    public static void main(String[] args){
        Node head =new Node("monkey");
        head.next =new Node("張三");
        head.next.next =new Node("劉一");
        System.out.println(head.data);
        System.out.println(head.next.data);
        System.out.println(head.next.next.data);
    }
}
//輸出結果:
//monkey
//張三
//劉一

鏈表:鏈表是一種物理存儲單元上非連續(xù),非順序的存儲結構,如圖:

在這里插入圖片描述

為什么它插入,刪除快,查詢慢了?
刪除 某個節(jié)點,只需要上一個節(jié)點 head.next =null
插入 某個幾點,只需要上一個節(jié)點 head.next 指向插入的節(jié)點,插入的節(jié)點指向下一個節(jié)點
查詢某個節(jié)點:鏈表查詢都要通過頭節(jié)點,比如我們要查‘劉一',我們則要先查頭monkey,再查張三,再查到劉一,
雖然只有3個節(jié)點,但是我們要查到劉一要查三次,把整個鏈表都遍歷了一次,所以查詢慢!

在這里插入圖片描述

擴充
在我們java 中,哪一個util 類采用的鏈表來實現(xiàn)的?

在這里插入圖片描述

我們來查看它的add 方法

   public boolean add(E var1) {
        this.linkLast(var1);
        return true;
    }
    //看上面有一個linkLast,如下:

   void linkLast(E var1) {
        LinkedList.Node var2 = this.last;
        LinkedList.Node var3 = new LinkedList.Node(var2, var1, (LinkedList.Node)null);
        this.last = var3;
        if (var2 == null) {
            this.first = var3;
        } else {
            var2.next = var3;
        }

        ++this.size;
        ++this.modCount;
    }
    //看上面有一個Node,如下:
    private static class Node<E> {
        E item;
        LinkedList.Node<E> next;
        LinkedList.Node<E> prev;

        Node(LinkedList.Node<E> var1, E var2, LinkedList.Node<E> var3) {
            this.item = var2;
            this.next = var3;
            this.prev = var1;
        }
    }
	  //上面有一個next,有一個prev 
	  //這是一個雙向鏈表

雙向鏈表如圖: 類似與分頁,上一頁,下一頁,下面的對象也可以獲取上面對象的數(shù)據(jù)(head.prev)

在這里插入圖片描述

現(xiàn)在大家都已經(jīng)了解JDK7 HashMap 數(shù)據(jù)結構了,開始了解下算法!

哈希算法

那么HashMap 是怎么去存儲的了?他是如何將數(shù)據(jù)放到我們的數(shù)組和鏈表上的?
用的就是哈希算法,你們知道哈希算法的底層是怎么實現(xiàn)的?
哈希表

什么是哈希算法?
哈希算法(也叫散列),就是把任意長度值(key)通過散列算法變換成固定長度的key(地址), 通過這個地址進行訪問的數(shù)據(jù)結構,
它通過把關鍵碼值映射到表中一個位置來訪問記錄,以加快查找速度。

在這里插入圖片描述

例如圖中的John Smith 通過散列算法變換成固定長度的key:152 (永遠是152),然后通過152 變成John Smith 是不可能的,哈希算法是不可逆的。
HashCode: 通過字符串算出它的ascii 碼,進行mod(取模),算出哈希表中的下標

在這里插入圖片描述

代碼如下:

public class AsciiCode {

    public static void main(String[] args) {
        char c [] ="lies".toCharArray();
        for (int i = 0; i < c.length; i++) {
            System.out.println((c[i])+":" +(int)c[i]);
        }
    }

}
//輸出結果:
//l:108
//i:105
//e:101
//s:115

將 lies 算出來的ascii 碼相加然后除以10 取模(為什么取模不直接存儲 429了 )
為什么取模不直接存儲 429了?
//數(shù)組是采用一段連續(xù)的存儲單元來存儲數(shù)據(jù)的,那存lies 數(shù)據(jù)將如圖:

在這里插入圖片描述

如果你要存lies 則需要300 個這樣的內(nèi)存空間,所以我們?nèi)∧?0,算出來的值為 9,則節(jié)省了很多空間,我們?nèi)∧5哪康木褪枪?jié)省內(nèi)存空間!

如果我們?nèi)∧霈F(xiàn)什么問題
會出現(xiàn)hash 沖突(碰撞)的一個問題,

什么是hash沖突

lies 的值通過ascii 碼計算的總和為 429foes 的值通過ascii 碼計算的總和也為 429

在這里插入圖片描述

兩個單詞取模后的值都是 9 ,則lies 會存在下標為9 的這個位置,foes 也存在下標為9 的這個位置,而數(shù)組存在同一個下標下面是會覆蓋的(上面代碼講數(shù)組的時候Intergers[9]=400,會覆蓋Intergers[9]=2 的值,最終Intergers[9] =400),同樣我們先存的是lies 后存的是foes,則lies
將會被覆蓋,lies 和foes 是不同的key, 我們HashMap 是可以存這兩個值的,為什么沒有被覆蓋了?這個地方就叫做哈希碰撞!

Hash沖突怎么解決了
我們用鏈表來解決這個問題, 鏈表是有一個指針的,我們可以讓這個lies 指向這個foes,我們讓foes 去匹配下標為9 的這個節(jié)點,如果匹配lies 不相等,則去匹配下一個節(jié)點foes,最終就會找到這個foes,這就是我們hash 算法底層的原理及解決沖突。

手寫HashMap

不調(diào)用JDK7 的HashMap,自己手動寫一個HashMap

public class App {

    public static void main(String[] args) {
       //Map<String,String> map = new HashMap<>();
        App map = new App();
        map.put("劉一","劉一");
        map.put("陳二","陳二");
        map.put("張三","張三");
        map.put("李四","李四");
        map.put("王五","王五");
        map.put("Money","我是猴哥Money老師");
        //System.out.println(map.get("Money"));
    }

public void put(String key,String value){
 System.out.printf("key:%s:::::::::::::::;::hash值:%s:::::::::::::::::::存儲位置:%s\r\n",key,key.hashCode(),Math.abs(key.hashCode() % 15));
    }
}
//輸出結果:
//    key:劉一:::::::::::::::;::hash值:671464:::::::::::::::::::存儲位置:4
//    key:陳二:::::::::::::::;::hash值:1212740:::::::::::::::::::存儲位置:5
//    key:張三:::::::::::::::;::hash值:774889:::::::::::::::::::存儲位置:4
//    key:李四:::::::::::::::;::hash值:842061:::::::::::::::::::存儲位置:6
//    key:王五:::::::::::::::;::hash值:937065:::::::::::::::::::存儲位置:0
//    key:Monkey:::::::::::::::;::hash值:-1984628749:::::::::::::::::::存儲位置:4
  • 我們多次運行,運行的結果還是這樣,這就是hash 算法的一個特點:它是一個冪等性的一個算法

模擬我們是怎么存值的
我們一組數(shù)據(jù)就是 key,value , 可以用string,int 來存嗎?這里顯然不能,我們一般存這種值一般用對象來存值,我在這里隨便命名用個Object或者叫Entry 對象,其實我們還要存另外兩個值?(hash和next),當發(fā)生hash 沖突的時候(存儲位置4) next 可以指向下一個節(jié)點,hash 值是用來比較的,比較hashCode 值是否相等!

  • 存取結構圖如下:

在這里插入圖片描述

在這里插入圖片描述

上面的圖形結構,我們就知道如何存數(shù)據(jù)了!

那我們該如何取數(shù)據(jù)了?
-假如我們要取‘劉一' 的值

我們通過get(key) 方法獲取數(shù)據(jù)的模,然后根據(jù)key,與hashCode 的值去比較下標為4 的key 和hashCode,查看是否相等,如果不相等我們通過next 方法比較下一個節(jié)點的數(shù)據(jù),直到 key 與hashCode 對比的值都相等,此時,獲取value的值就是當前key 所對應的value!

HashMap底層的實現(xiàn)

HashMap 底層如何實現(xiàn)的了?我們用寫源碼的方式驗證

模擬java HashMap

定義一個Map 接口

/**
 * 自己手動定義Map
 * @param <K>
 * @param <V>
 */
public interface Map<K,V> {

    V put(K k,V v);

    V get(K k);

    int size();

     interface  Entry<K,V>{
      K getKey();
      V getValue();
     }

}

定義一個實現(xiàn)Map 的HashMap

import sun.management.snmp.jvmmib.JvmRTInputArgsTableMeta;

/**
 * 自己定義HashMap
 * @param <K>
 * @param <V>
 */
public class HashMap<K,V> implements Map<K,V>{

    //存儲元素對象
    private Entry<K,V> table[] = null;

    //擴容初始化
    int size =0;

    //初始化存儲元素對象大小
    public HashMap() {
        this.table = new Entry[16];
    }

    /**
     * 1.通過key hash 算法算出hash值,然后取模
     * 2.取模后就有對應的index 數(shù)組下標,然后存儲對象<Entry>
     * 3.判斷當前對象是否為空,如果空,直接存儲,
     * 4.如果不為空,我們就要用到next 鏈表
     * 5.返回當前這個節(jié)點
     * @param k
     * @param v
     * @return
     */
    @Override
    public V put(K k, V v) {
       int index = hash(k);
       Entry<K,V> entry = table[index];
       if(null ==entry){
           //劉一,陳二,李四,王五 就開始存在這個entry,每個entry 對象則存儲到了對應table 中
           table[index] = new Entry<>(k, v, index, null);
           size++;
       }else{
           //沖突了,張三,Monkey
           table[index] = new Entry<>(k, v, index, entry);
       }
        
        return table[index].getValue();
    }

    private int hash(K k) {
        //HashMap 底層用到的是移位的操作,性能高很多 >>,我們這里就直接取模
        int index =k.hashCode() % 16;
        //Math.abs(index);
        return index>0?index:-index;
    }

    /**
     * 1.通過 key 進行hash 運算,取模,找到數(shù)組對應的下標 index
     * 2.判斷當前對象是否為空,如果不為空
     * 3.判斷是否相等,如果不相等
     * 4.判斷next 是否為空,如果不為空,
     * 5.再判斷相等,知道相等為止,或者為空為止
     * 6.然后返回
     *
     *
     *
     * @param k
     * @return
     */
    @Override
    public V get(K k) {
        //如果沒有存儲數(shù)據(jù)那size 為0,也不用查了,直接返回null
        if(size ==0){
            return null;
        }
        int index = hash(k);
        Entry<K, V> entry = findValue(table[index], k);
        //通過index 找打這個對象
        return entry==null?null:entry.getValue();
    }

    /**
     *
     * @param entry
     * @param k 查詢劉一
     * @return
     */
    private Entry<K,V> findValue(Entry<K,V> entry,K k) {
        //存的可能是數(shù)值類型,也可能是字符串類型
        if (k.equals(entry.getKey()) || k == entry.getKey()) {
            return entry;
            //如果不相等,估計這個節(jié)點是個鏈表,判斷它next 數(shù)據(jù)是否匹配
        } else {
            if(entry.next !=null){
                //用到遞歸,在鏈表里面一直查詢這個k,值是否相等
                return findValue(entry.next,k);
            }
        }
        return null;
    }

    @Override
    public int size() {
        return size++;
    }



    class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V>{

         //存四個值
        K k;
        V v;
        int hash;
        Entry<K,V> next;

        public Entry(K k, V v, int hash, Entry<K, V> next) {
            this.k = k;
            this.v = v;
            this.hash = hash;
            this.next = next;
        }

        @Override
        public K getKey() {
            return k;
        }

        @Override
        public V getValue() {
            return v;
        }
    }

}

定義一個測試類

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        Map<String,String> map = new HashMap<>();
        map.put("Monkey","我是moneky老師");
        map.put("東山再起","東山再起是位好同學");
        System.out.println(map.get("Monkey"));
        System.out.println(map.get("東山再起"));
    }

//輸出結果:
//我是moneky老師
//東山再起是位好同學
}

查看到測試結果,我們就能看到HashMap ,是怎么存儲的,和獲取值的!

但是JDK8 用的是紅黑樹,為什么了?
舉個代碼的例子

import com.sun.xml.internal.ws.api.model.wsdl.WSDLOutput;

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        Map<String,String> map = new HashMap<>();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            map.put("Monkey"+i,"我是moneky老師"+i);
        }
        System.out.println(map);
    }
}

可以看到這個map 的size 只有16,卻存了很多的數(shù)據(jù):

在這里插入圖片描述

容量不夠,我們就只能把這個數(shù)據(jù)放到鏈表上,鏈表無線延長,這種hash沖突是十分嚴重的,而鏈表的特性是查詢慢,而鏈表又無線延長,我們查詢鏈表末端的數(shù)據(jù),這樣性能就很低了,所以JDK8 就用紅黑樹了!

總結:解決鏈表過長查詢效率過低的問題

什么情況下用紅黑樹?

前提條件
閾值 8

HashMap 類下面有個這個:

  static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;

為什么要閾值 是8 了?

因為紅黑叔插入慢,他要判斷小中大(也就是左邊的小于右邊的),而鏈表插入快,刪除快,但是為什么是 8 不是 6了?

在這里插入圖片描述

具體原因請參考這篇Java紅黑樹的數(shù)據(jù)結構與算法解析

到此這篇關于HashMap底層原理全面詳解面試絕對不慌的文章就介紹到這了,更多相關HashMap底層原理內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家!

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