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面试必问的HashMap-1.1:HashMap几个关键点分析
阅读量:670 次
发布时间:2019-03-15

本文共 1507 字,大约阅读时间需要 5 分钟。

HashMap的工作原理分析

HashMap并不算特别神奇,它的工作原理相对来说还是比较直接的。以下是我对HashMap的一些理解和分析。

数据结构方面

在Java中,常用的数据结构包括数组、链表和树。数组的查询效率很高,链表的新增效率又很高。HashMap的数据接口将这两种数据结构的优势结合了起来。

数组的实现

数组在Java中用数组表示,代码如下:

int[] aa = new int[16];

其中,16是2的4次方(1左移4位),这是数组的默认初始大小。这里用了位移运算来确定数组的大小,而不是直接写16,这样既方便又高效。

链表的实现

链表的实现方式类似于下面的代码:

public class Node {Object data;Node next;}

双向链表的实现方式类似于:

public class Node {Object data;Node previous;Node next;}

HashMap的独特之处

HashMap的独特之处体现在以下几个方面:

  • 数组与链表的结合
  • HashMap并不是单纯的数组或链表,而是两者的结合。数组用于存储元素,链表用于解决碰撞问题。

    1. 初始大小
    2. 数组的初始大小是16,这是2的4次方。这种选择有两个好处:

      • 16是二进制数,高效计算
      • 初始大小适中,避免内存浪费

      为什么不直接写16呢?因为底层都是二进制,位移运算效率更高。

      链表的长度限制

      链表的长度是有上限的。具体来说:

      • 如果链表长度超过8,就会转换为红黑树
      • 如果链表长度小于6,就会强制转换为红黑树

      这种设计目的是为了在高频率的删除操作后,避免链表过长导致效率低下。

      put方法分析

      put操作分为以下几个步骤:

    3. 调用putValue方法
    4. 计算key的hash值
    5. 根据hash值确定数组的位置
    6. hash函数的实现

      hash函数的实现非常关键。具体来说:

      int hash = key.hashCode();int hash = hash ^ (hash >> 16);

      这个hash函数的作用是将高16位和低16位进行异或运算,从而得到一个较为分散的hash值。

      为什么要用异或运算?

      异或运算(^)的特点是:

      • 与0异或结果不变
      • 两个位同时为1时,结果才为1

      这样可以充分利用高低位,提高hash值的分散性。

      数组存储位置的确定

      存储位置的计算公式是:

      int index = (n - 1) & hash;

      其中,n是数组的大小。n-1的作用是确保在碰撞发生时,仍然能得到有效的数组索引。

      为什么不直接用n?

      因为n是2的幂次方,n-1可以用来提取有效位。例如:

      n = 16 → n-1 = 15 → 0b1111

      这样无论hash值是什么,与运算n-1后,结果都落在0到15之间。

      这种方法比模运算(%)更高效,因为模运算需要进行额外的计算。

      链表转换与红黑树

      当链表长度超过8时,HashMap会将链表转换为红黑树。这是因为红黑树的查询效率更高。

      碰撞处理

      如果多个元素的hash值相同,就会形成碰撞。此时,HashMap会自动将链表转换为红黑树,或者在删除操作频繁时强制转换为链表。

      模运算与按位与运算

      模运算(%)和按位与运算(&)的区别在于:

      • 模运算是取余数
      • 按位与运算是只要有一个位为1,结果位就为1

      模运算效率较低,所以HashMap采用按位与运算来提高效率。

      总结

      HashMap的工作原理主要包括以下几个方面:

    7. 数组与链表的结合
    8. 高效的哈希函数设计
    9. 链表与红黑树的转换机制
    10. 碰撞处理策略
    11. 这种设计既保证了哈希表的平均时间复杂度,又在面对频繁碰撞时能够灵活调整结构,确保整体性能。

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