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Java面试一天一题(day 3面试题:HashMap1.8相比1.7做了哪些变更,它是线程安全的吗?)

架构狂人 2021-06-29
461

    好了,上节我们聊了HashMap1.7的数据结构,存储流程,扩容机制,这回我们谈谈HashMap1.8。相比1.7而言,1.8做了较大的变更,包括红黑树的引入、hash计算方式、扩容机制等,话不多说,上干货!


1 红黑树的引入


由于红黑树的原理还是比较复杂,这里不做大篇幅讲解


1.1 红黑树

红黑树的特性:
根节点是黑色的;
每个叶子节点都是黑色的空节点(NIL),也就是说,叶子节点不存储数据;
任何相邻的节点都不能同时为红色,也就是说,红色节点是被黑色节点隔开的;
如果一个节点是红色的,则它的子节点必须是黑色;
每个节点,从该节点到达其可达叶子节点的所有路径,都包含相同数目的黑色节点;



总的来说红黑说是一种近似平衡树,意味着它不像平衡二叉查找树,需要严格维持平衡,每次插入、删除都要做调整,而是左右旋转和改变颜色保证近似平衡,以至于插入和查找数据不至于性能退化的很严重,使得插入、删除、查找操作的时间复杂度都是 O(logn)。


1.2 HashMap中的使用:TreeNode

    static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {  
    //父节点、左子树、右子树、删除辅助节点 + 颜色
    TreeNode<K,V> parent;
    TreeNode<K,V> left;
    TreeNode<K,V> right;
    TreeNode<K,V> prev;
    boolean red;
    TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
    super(hash, key, val, next);
        }  
    // 返回当前节点的根节点
    final TreeNode<K,V> root() {
    for (TreeNode<K,V> r = this, p;;) {
    if ((p = r.parent) == null)
    return r;
    r = p;
    }
    }


    1.3 重要参数
        

      //1.7为Entry对象存储k,v的数组,1.8改为Node类型数组,长度均为2的幂次方数
      transient Node<K,V>[] table;
      //桶的树化阈值:即 链表转成红黑树的阈值,在存储数据时,当链表长度 > 8时,则将链表转换成红黑树
      static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
      //桶的链表还原阈值:即 红黑树转为链表的阈值,当在扩容(resize())时(此时HashMap的数据存储位置会重新计算),在重新计算存储位置后,当原有的红黑树内数量 < 6时,则将红黑树转换成链表
      static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
      //最小树形化容量阈值:即 当哈希表中的容量 > 该值时,才允许树形化链表 (即 将链表 转换成红黑树)
      // 否则,若桶内元素太多时,则直接扩容,而不是树形化
      // 为了避免进行扩容、树形化选择的冲突,这个值不能小于 4 * TREEIFY_THRESHOLD
      static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;


      2 存储流程新变化


      由于红黑树树的引入,1.8相比1.7在put过程中新增了一个当产生冲突后,判断是链表还是红黑树的操作,详见流程图



      2.1 查找get

      (1)计算key的hashcode
      (2)getNode获取待查询数据
      (3)计算table数组中的位置first,数组没有,若是红黑树,则遍历红黑树,否则遍历单链表查找
          

        public V get(Object key) {
        Node<K,V> e;
        // 1. 计算key的hash值
        // 2. 通过getNode()获取所查询的数据
        // 3. 获取后,判断数据是否为空
        return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
        }

        final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;


        // 1. 计算存放在数组table中的位置
        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
        (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {


        // 2. 在数组、红黑树、链表中依次查找,用equals判断
        // 2.1 先在数组中找,若存在,则直接返回
        if (first.hash == hash && // always check first node
        ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
        return first;


        // 2.2. 若数组中没有,则到红黑树中寻找
        if ((e = first.next) != null) {
        // 在树中get
        if (first instanceof TreeNode)
        return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);


        // 2.3. 若红黑树中也没有,则遍历链表
        do {
        if (e.hash == hash &&
        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
        return e;
        } while ((e = e.next) != null);
        }
        }
        return null;
        }


        2.2 新增put

          public V put(K key, V value) {
          return putVal(hash(key), key, value, false, true);
          }


          final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
          boolean evict) {
          Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
          //1.第一次put,若table为空,此时会通过resize()初始化
          if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
          n = (tab = resize()).length;
          //2.计算下标
          if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
          tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
          else {
          Node<K,V> e; K k;
          if (p.hash == hash &&
          ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
          e = p;
          //3.是红黑树or链表
          else if (p instanceof TreeNode)
          e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
          else {
          //4.遍历链表,通过equals判断是直接插入还是覆盖更新
          //新增节点后需要判断需要判断链表长度是否超过8(8为链表树化阈值),超过8则转化为红黑树
          for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
          if ((e = p.next) == null) {
          p.next = newNode(hash, key, value, null);
          if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
          treeifyBin(tab, hash); //转化为红黑树,从0开始遍历所以是>=7
          break;
          }
          if (e.hash == hash &&
          ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
          break;
          p = e;
          }
          }
          if (e != null) { // existing mapping for key
          V oldValue = e.value;
          if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
          e.value = value; //替换老值
          afterNodeAccess(e);
          return oldValue;
          }
          }
          ++modCount;
          if (++size > threshold)
          resize();//5.扩容
          afterNodeInsertion(evict);
          return null;
          }


          2.3扩容 resize


          当数组达到一定长度后,超过了扩容阈值,数组长度会扩容为原来2倍



          (1)保存旧数组,容量,扩容阈值
          (2)异常条件,超过最大值,不扩容
          (3)左移,扩容两倍
          (4)初始化新table
          (5)通过尾插法,转移到新数组
          (6)新table的后置处理

             final Node<K,V>[] resize() {
            Node<K,V>[] oldTab = table; //扩容前数组
            int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length; //扩容前数组容量
            int oldThr = threshold; //扩容前数组阈值
            int newCap, newThr = 0;
            if (oldCap > 0) {
            //超过最大容量,不扩容
            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return oldTab;
            }//容量不够,需要扩容
            else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
            oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
            newThr = oldThr << 1; // double threshold 左移扩容两倍
            }
            else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
            newCap = oldThr;
            else { // zero initial threshold signifies using defaults初始化新table
            newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
            newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
            }
            if (newThr == 0) {
            float ft = (float)newCap * loadFactor;
            newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
            (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
            }
            threshold = newThr;
            @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
            Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
            table = newTab;
            //移动old bucket到新的桶
            if (oldTab != null) {
            for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
            Node<K,V> e;
            if ((e = oldTab[j]) != null) {
            oldTab[j] = null;
            if (e.next == null)
            newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
            else if (e instanceof TreeNode)
            ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
            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;
            //原索引
            if ((e.hash & oldCap) == 0) {
            if (loTail == null)
            loHead = e;
            else
            loTail.next = e;
            loTail = e;
            }//原索引 + oldCap
            else {
            if (hiTail == null)
            hiHead = e;
            else
            hiTail.next = e;
            hiTail = e;
            }
            } while ((e = next) != null);
            if (loTail != null) {
            loTail.next = null;
            newTab[j] = loHead;
            }
            if (hiTail != null) {
            hiTail.next = null;
            newTab[j + oldCap] = hiHead;
            }
            }
            }
            }
            }
            return newTab;
            }


            3 新优化


            3.1 计算数组下标采用两次扰动(jdk1.7是9次,4次位运算+5次异或运算)

            (1) h = key.hashCode() 
            (2) 高位与低位参与运算:h ^ (h >>> 16)  

              解释:比如key.hashcode = 10010110101010,那么如何直接拿 h & (len-1) 此处len-1 = 15
              10010110101010
              01111
              -----------------------
              01010
              此时是否发现h的高16位压根就没有进行计算,那么只用低位计算是不是冲突的概率较大?
              这就是为什么将h=key.hashcode的高位和低位进行^操作后在与len-1进行&操作


              3.2 转移数据,尾插法,直接插入链表尾部,避免循环链(1.7头插法)


              篇幅原因,后续章节推出


              4 小结(变与不变)


              I

              1. hash算法再优化,2次扰动,hashcode()+高16位低16位异或
              2. 引入红黑树优化查询效率,当单链表上的k,v键值对个数超过8时会执行treeifyBin,转化为红黑树,当长度小于6,又会再次转化为单链表,为什么是6才转化?是为了避免频繁来回转化
              3. 单链表的插入由头插法改为尾插法,解决1.7中多线程下的循环链问题,但是它依然不是线程安全的,多线程put,线程B可能覆盖线程A的值
              4. 先插入再进行扩容,1.7是扩容后插入
              5. 扩容后,index位置的计算优化,转移数据时统一计算,而1.7是单独计算

              II不变
              1. 默认容量16,扩容因子0.75
              2. 扩容2倍,数组容量为2的幂次方数,为什么?见day2
              3. 计算数组位置方法仍为:h & (length-1)

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