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HashMap与ConcurrentHashMap面试要点

HashMap底层数据结构 JDK7: 数组+链表 JDK8: 数组+链表+红黑树 (看过源码的同学应该知道JDK8中即使用了单向链表, 也使用了双向链表, 双向链表主要是为了链表…

HashMap底层数据结构

JDK7: 数组+链表

JDK8: 数组+链表+红黑树 (看过源码的同学应该知道JDK8中即使用了单向链表, 也使用了双向链表, 双向链表主要是为了链表操作方便, 应该在插入, 扩容, 链表转红黑树, 红黑树转链表的过程中都要操作链表)

JDK8中的HashMap为什么要使用红黑树?

当元素个数小于一个阈值时, 链表整体的插入查询效率要高于红黑树, 当元素个数大于此阈值时, 链表整 体的插入查询效率要低于红黑树。 此阈值在HashMap中为8

JDK8中的HashMap什么时候将链表转化为红黑树?

这个题很容易答错, 大部分答案就是: 当链表中的元素个数大于8时就会把链表转化为红黑树。 但是其实还有另外一个限制: 当发现链表中的元素个数大于8之后, 还会判断一下当前数组的长度, 如果数组长度小于64时, 此时并不会转化为红黑树, 而是进行扩容。 只有当链表中的元素个数大于8, 并且数组的长度大于 等于64时才会将链表转为红黑树。 上面扩容的原因是, 如果数组长度还比较小, 就先利用扩容来缩小链表的长度。

JDK8中HashMap的put方法的实现过程?

1. 根据key生成hashcode

2.判断当前HashMap对象中的数组是否为空, 如果为空则初始化该数组

3.根据逻辑与运算,算出hashcode基于当前数组对应的数组下标i

4.判断数组的第i个位置的元素 (tab[i]) 是否为空

  • a.如果空,则将key,value封装为Node对象赋值给tab[i]
  • b. 如果不为空:
  • i.如果put方法传入进来的key等于tab[i] .key, 那么证明存在相同的key
  • ii.如果不等于tab[i] .key, 则:
  • 1.如果tab[i]的类型是TreeNode, 则表示数组的第i位置上是一颗红黑树, 那么将key和 value插入到红黑树中, 并且在插入之前会判断在红黑树中是否存在相同的key
  • 2.如果tab[i]的类型不是TreeNode, 则表示数组的第i位置上是一个链表, 那么遍历链表寻 找是否存在相同的key, 并且在遍历的过程中会对链表中的结点数进行计数, 当遍历到最后一个结点时, 会将key ,value封装为Node插入到链表的尾部, 同时判断在插入新结点之 前的链表结点个数是不是大于等于8,如果是,则将链表改为红黑树。
  • iii. 如果上述步骤中发现存在相同的key,则根据onlyIfAbsent标记来判断是否需要更新value值,然后返回oldValue

5.modCount++

6.HashMap的元素个数size加1

7. 如果size大于扩容的阈值, 则进行扩容

JDK8中HashMap的get方法的实现过程

1. 根据key生成hashcode

  1. 如果数组为空,则直接返回空
  2. 如果数组不为空,则利用hashcode和数组长度通过逻辑与操作算出key所对应的数组下标i

4 . 如果数组的第i个位置上没有元素,则直接返回空

5 . 如果数组的第1个位上的元素的key等于get方法所传进来的key, 则返回该元素,并获取该元素的value

6 . 如果不等于则判断该元素还有没有下一个元素,如果没有,返回空

7. 如果有则判断该元素的类型是链表结点还是红黑树结点

a.如果是链表则遍历链表

b.如果是红黑树则遍历红黑树

8 . 找到即返回元素,没找到的则返回空

JDK7与JDK8中HashMap的不同点

1. JDK8中使用了红黑树

2 . JDK7中链表的插入使用的头插法 (扩容转移元素的时候也是使用的头插法,头插法速度更快,无需遍历链表,但是在多线程扩容的情况下使用头插法会出现循环链表的问题,导致CPU飙升),JDK8中链 表使用的尾插法 (JDK8中反正要去计算链表当前结点的个数, 反正要遍历的链表的, 所以直接使用尾插法)

3.JDK7的Hash算法比JDK8中的更复杂,Hash算法越复杂,生成的hashcode则更散列,那么hashmap中的元素则更散列,更散列则hashmap的查询性能更好,JDK7中没有红黑树,所以只能优化Hash算法使得元素更散列,而JDK8中增加了红黑树,查询性能得到了保障,所以可以简化一下Hash算法,毕竟Hash算法越复杂就越消耗CPU

4.扩容的过程中JDK7中有可能会重新对key进行哈希(重新Hash跟哈希种子有关系),而JDK8中没有这部分逻辑

5.JDK8中扩容的条件和JDK7中不一样,除开判断size是否大于阈值之外,JDK7中还判断了tab[i]是否为空,不为空的时候才会进行扩容,而JDK8中则没有该条件了

6.JDK8中还多了一个API: putIfAbsent(key ,value)

7.JDK7和JDK8扩容过程中转移元素的逻辑不一样,JDK7是每次转移一个元素,JDK8是先算出来当前位 置上哪些元素在新数组的低位上,哪些在新数组的高位上,然后在一次性转移

ConcurrentHashMap

JDK7中的ConcurrentHashMap是怎么保证并发安全的?

主要利用Unsafe操作+ReentrantLock+分段思想。主要使用了Unsafe操作中的:

1. compareAndSwapObject: 通过cas的方式修改对象的属性2 . putOrderedObject:并发安全的给数组的某个位置赋值3 . getObjectVolatile:并发安全的获取数组某个位置的元素分段思想是为了提高ConcurrentHashMap的并发量,

分段数越高则支持的最大并发量越高,程序员可以通过concurrencyLevel参数来指定并发量。ConcurrentHashMap的内部类Segment就是用来表示某一个段的。每个Segment就是一个小型的HashMap的, 当调用ConcurrentHashMap的put方法是,最终会调用到Segment的put方法, 而Segment类继承了ReentrantLock, 所以Segment自带可重入锁, 当调用到Segment的put方法时,会先利用可重入锁加锁, 加锁成功后再将待插入的key ,value插入到小型HashMap中,插入完成后解锁。

JDK7中的ConcurrentHashMap的底层原理

ConcurrentHashMap底层是由两层嵌套数组来实现的:

1. ConcurrentHashMap对象中有一个属性segments, 类型为Segment[];

2 . Segment对象中有一个属性table, 类型为HashEntry[];

当调用ConcurrentHashMap的put方法时,先根据key计算出对应的Segment[]的数组下标j,确定好当前key ,value应该插入到哪个Segment对象中,如果segments[j]为空,则利用自旋锁的方式在j位置生成一个 Segment对象。然后调用Segment对象的put方法。

Segment对象的put方法会先加锁, 然后也根据key计算出对应的HashEntry[]的数组下标i,然后将 key ,value封装为HashEntry对象放入该位置, 此过程和JDK7的HashMap的put方法一样, 然后解锁。 在加锁的过程中逻辑比较复杂, 先通过自旋加锁, 如果超过一 定次数就会直接阻塞等等加锁。

JDK8中的ConcurrentHashMap是怎么保证并发安全的?

主要利用Unsafe操作+synchronized关键字。Unsafe操作的使用仍然和JDK7中的类似,主要负责并发安全的修改对象的属性或数组某个位置的值。

synchronized主要负责在需要操作某个位置时进行加锁 (该位置不为空) , 比如向某个位置的链表进行插入结点,向某个位置的红黑树插入结点。JDK8中其实仍然有分段锁的思想,只不过JDK7中段数是可以控制的,而JDK8中是数组的每一个位置都有 一把锁。

当向ConcurrentHashMap中put一 个key ,value时,

1.首先根据key计算对应的数组下标i, 如果该位置没有元素, 则通过自旋的方法去向该位置赋值。

2.如果该位置有元素, 则synchronized会加锁

3.加锁成功之后, 在判断该元素的类型a. 如果是链表节点则进行添加节点到链表中b. 如果是红黑树则添加节点到红黑树

4.添加成功后,判断是否需要进行树化

5.addCount,这个方法的意思是ConcurrentHashMap的元素个数加1, 但是这个操作也是需要并发安全的,并且元素个数加1成功后,会继续判断是否要进行扩容, 如果需要,则会进行扩容,所以这个方法很重要。

6 . 同时一个线程在put时如果发现当前ConcurrentHashMap正在进行扩容则会去帮助扩容。

JDK7和JDK8中的ConcurrentHashMap的不同点

这两个的不同点太多了 . . ., 既包括了HashMap中的不同点, 也有其他不同点, 比如:

1. JDK8中没有分段锁了, 而是使用synchronized来进行控制

2 . JDK8中的扩容性能更高, 支持多线程同时扩容, 实际上JDK7中也支持多线程扩容, 因为JDK7中的扩 容是针对每个Segment的, 所以也可能多线程扩容, 但是性能没有JDK8高, 因为JDK8中对于任意一个线程都可以去帮助扩容

3 . JDK8中的元素个数统计的实现也不一 样了, DK8中增加了CounterCell来帮助计数, 而JDK7中没有, JDK7中是put的时候每个Segment内部计数, 统计的时候是遍历每个Segment对象加锁统计。

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作者: 395045033

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