底层数据结构,1.7与1.8有何不同?
为何要用红黑树,为何一上来不树化?树化阈值为何是8?何时会树化?何时会退化为链表?
链表比较短的时候,查询性能并没有那么低,不用费劲把它转成红黑树,还浪费内存
HashMap
要求
- 掌握 HashMap 的基本数据结构
- 掌握树化
- 理解索引计算方法、二次 hash 的意义、容量对索引计算的影响
- 掌握 put 流程、扩容、扩容因子
- 理解并发使用 HashMap 可能导致的问题
- 理解 key 的设计
1、基本数据结构
- 1.7 数组 + 链表
- 1.8 数组 + (链表 | 红黑树)
因为红黑树是自平衡二叉树。查询效率比较稳定;所以不用AVL平衡树
2、树化与退化
树化意义
- 红黑树用来避免 DoS 攻击(制造大批hash值相同的数据),防止链表超长时性能下降,树化应当是偶然情况,是保底策略
- hash 表的查找,更新的时间复杂度是 O(1)O(1)O(1),而红黑树的查找,更新的时间复杂度是 O(log2n)O(log_2n )O(log2n),TreeNode 占用空间也比普通 Node 的大,如非必要,尽量还是使用链表
- hash 值如果足够随机,则在 hash 表内按泊松分布,在负载因子 0.75 的情况下,长度超过 8 的链表出现概率是 0.00000006,树化阈值选择 8 就是为了让树化几率足够小
举例
在一个存有二十多万个单词的文件,把他们读到hashmap集合中,没有出现树化情况,可见hashmap底层解决冲突很有一手,出现树化是不正常的情况。
树化规则
- 当链表长度超过树化阈值 8 时,先尝试扩容来减少链表长度,如果数组容量已经 >=64,才会进行树化
因为扩容后,计算下标是用hash值模数组长度,所以链表会缩短;但如果hash值原先都一样,再怎么扩容,长度也不会缩短。
按照字符串排序的(首字母),所以’10’<‘2’
退化规则
- 情况1:在扩容时如果拆分树时,树元素个数 <= 6 则会退化链表
- 情况2:remove 树节点时,(移除之前)若 root、root.left、root.right、root.left.left 有一个为 null ,也会退化为链表
3、索引计算
索引计算方法
- 首先,计算对象的 hashCode()
- 再进行调用 HashMap 的 hash() 方法进行二次哈希
- 二次 hash() 是为了综合高位数据,让哈希分布更为均匀
- 最后 & (capacity – 1) 得到索引
数组容量为何是 2 的 n 次幂
- 计算索引时效率更高:如果是 2 的 n 次幂可以使用位与运算代替取模
- 扩容时重新计算索引效率更高: hash & oldCap == 0 的元素留在原来位置 ,否则新位置 = 旧位置 + oldCap
注意
- 二次 hash 是为了配合 容量是 2 的 n 次幂 这一设计前提,如果 hash 表的容量不是 2 的 n 次幂,则不必二次 hash
- 容量是 2 的 n 次幂 这一设计计算索引效率更好,但 hash 的分散性就不好,需要二次 hash 来作为补偿,没有采用这一设计的典型例子是 Hashtable
4、put 与扩容
put 流程
- HashMap 是懒惰创建数组的,首次使用才创建数组
- 计算索引(桶下标)
- 如果桶下标还没人占用,创建 Node 占位返回
- 如果桶下标已经有人占用
- 已经是 TreeNode 走红黑树的添加或更新逻辑
- 是普通 Node,走链表的添加或更新逻辑,如果链表长度超过树化阈值,走树化逻辑
- 返回前检查容量是否超过阈值,一旦超过进行扩容
1.7 与 1.8 的区别
-
链表插入节点时,1.7 是头插法,1.8 是尾插法
-
1.7 是大于等于阈值且没有空位时才扩容,而 1.8 是大于阈值就扩容
-
1.8 在扩容计算 Node 索引时,会优化
扩容(加载)因子为何默认是 0.75f
- 在空间占用与查询时间之间取得较好的权衡
- 大于这个值,空间节省了,但链表就会比较长影响性能
- 小于这个值,冲突减少了,但扩容就会更频繁,空间占用也更多
5、并发问题
扩容死链(1.7 会存在)
1.7 源码如下:
void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {int newCapacity = newTable.length;for (Entry<K,V> e : table) {while(null != e) {Entry<K,V> next = e.next;if (rehash) {e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);}int i = indexFor(e.hash, newCapacity);e.next = newTable[i];newTable[i] = e;e = next;}}
}
- e 和 next 都是局部变量,用来指向当前节点和下一个节点
- 线程1(绿色)的临时变量 e 和 next 刚引用了这俩节点,还未来得及移动节点,发生了线程切换,由线程2(蓝色)完成扩容和迁移
- 线程2 扩容完成,由于头插法,链表顺序颠倒。但线程1 的临时变量 e 和 next 还引用了这俩节点,还要再来一遍迁移
- 第一次循环
- 循环接着线程切换前运行,注意此时 e 指向的是节点 a,next 指向的是节点 b
- e 头插 a 节点,注意图中画了两份 a 节点,但事实上只有一个(为了不让箭头特别乱画了两份)
- 当循环结束是 e 会指向 next 也就是 b 节点
- 第二次循环
- next 指向了节点 a
- e 头插节点 b
- 当循环结束时,e 指向 next 也就是节点 a
- 第三次循环
- next 指向了 null
- e 头插节点 a,a 的 next 指向了 b(之前 a.next 一直是 null),b 的 next 指向 a,死链已成
- 当循环结束时,e 指向 next 也就是 null,因此第四次循环时会正常退出
数据错乱(1.7,1.8 都会存在)
- 代码参考
day01.map.HashMapMissData
,具体调试步骤参考视频
补充代码说明
- day01.map.HashMapDistribution 演示 map 中链表长度符合泊松分布
- day01.map.DistributionAffectedByCapacity 演示容量及 hashCode 取值对分布的影响
- day01.map.DistributionAffectedByCapacity#hashtableGrowRule 演示了 Hashtable 的扩容规律
- day01.sort.Utils#randomArray 如果 hashCode 足够随机,容量是否是 2 的 n 次幂影响不大
- day01.sort.Utils#lowSameArray 如果 hashCode 低位一样的多,容量是 2 的 n 次幂会导致分布不均匀
- day01.sort.Utils#evenArray 如果 hashCode 偶数的多,容量是 2 的 n 次幂会导致分布不均匀
- 由此得出对于容量是 2 的 n 次幂的设计来讲,二次 hash 非常重要
- day01.map.HashMapVsHashtable 演示了对于同样数量的单词字符串放入 HashMap 和 Hashtable 分布上的区别
6 key 的设计
key 的设计要求
- HashMap 的 key 可以为 null,但 Map 的其他实现则不然
- 作为 key 的对象,必须实现 hashCode 和 equals,并且 key 的内容不能修改(不可变)
- key 的 hashCode 应该有良好的散列性
如果 key 可变,例如修改了 age 会导致再次查询时查询不到
public class HashMapMutableKey {public static void main(String[] args) {HashMap<Student, Object> map = new HashMap<>();Student stu = new Student("张三", 18);map.put(stu, new Object());System.out.println(map.get(stu));stu.age = 19;System.out.println(map.get(stu));}static class Student {String name;int age;public Student(String name, int age) {this.name = name;this.age = age;}public String getName() {return name;}public void setName(String name) {this.name = name;}public int getAge() {return age;}public void setAge(int age) {this.age = age;}@Overridepublic boolean equals(Object o) {if (this == o) return true;if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false;Student student = (Student) o;return age == student.age && Objects.equals(name, student.name);}@Overridepublic int hashCode() {return Objects.hash(name, age);}}
}
String 对象的 hashCode() 设计
- 目标是达到较为均匀的散列效果,每个字符串的 hashCode 足够独特
- 字符串中的每个字符都可以表现为一个数字,称为 SiS_iSi,其中 i 的范围是 0 ~ n - 1
- 散列公式为: S0∗31(n−1)+S1∗31(n−2)+…Si∗31(n−1−i)+…S(n−1)∗310S_0∗31^{(n-1)}+ S_1∗31^{(n-2)}+ … S_i ∗ 31^{(n-1-i)}+ …S_{(n-1)}∗31^0S0∗31(n−1)+S1∗31(n−2)+…Si∗31(n−1−i)+…S(n−1)∗310
- 31 代入公式有较好的散列特性,并且 31 * h 可以被优化为
- 即 $32 ∗h -h $
- 即 25∗h−h2^5 ∗h -h25∗h−h
- 即 h≪5−hh≪5 -hh≪5−h
ArrayList
要求
- 掌握 ArrayList 扩容规则
扩容规则
-
ArrayList() 会使用长度为零的数组
-
ArrayList(int initialCapacity) 会使用指定容量的数组
-
public ArrayList(Collection<? extends E> c) 会使用 c 的大小作为数组容量
-
add(Object o) 首次扩容为 10,再次扩容为上次容量的 1.5 倍
-
addAll(Collection c) 没有元素时,扩容为 Math.max(10, 实际元素个数),有元素时为 Math.max(原容量 1.5 倍, 实际元素个数)
其中第 4 点必须知道,其它几点视个人情况而定
提示
- 测试代码见
day01.list.TestArrayList
,这里不再列出 - 要注意的是,示例中用反射方式来更直观地反映 ArrayList 的扩容特征,但从 JDK 9 由于模块化的影响,对反射做了较多限制,需要在运行测试代码时添加 VM 参数
--add-opens java.base/java.util=ALL-UNNAMED
方能运行通过,后面的例子都有相同问题
代码说明
- day01.list.TestArrayList#arrayListGrowRule 演示了 add(Object) 方法的扩容规则,输入参数 n 代表打印多少次扩容后的数组长度
Iterator
要求
- 掌握什么是 Fail-Fast、什么是 Fail-Safe
Fail-Fast 与 Fail-Safe
-
ArrayList 是 fail-fast 的典型代表,遍历的同时不能修改,尽快失败
-
CopyOnWriteArrayList 是 fail-safe 的典型代表,遍历的同时可以修改,原理是读写分离
提示
- 测试代码见
day01.list.FailFastVsFailSafe
,这里不再列出
LinkedList
要求
- 能够说清楚 LinkedList 对比 ArrayList 的区别,并重视纠正部分错误的认知
LinkedList
- 基于双向链表,无需连续内存
- 随机访问慢(要沿着链表遍历)
- 头尾插入删除性能高
- 占用内存多
ArrayList
- 基于数组,需要连续内存
- 随机访问快(指根据下标访问)
- 尾部插入、删除性能可以,其它部分插入、删除都会移动数据,因此性能会低
- 可以利用 cpu 缓存,局部性原理
代码说明
- day01.list.ArrayListVsLinkedList#randomAccess 对比随机访问性能
- day01.list.ArrayListVsLinkedList#addMiddle 对比向中间插入性能
- day01.list.ArrayListVsLinkedList#addFirst 对比头部插入性能
- day01.list.ArrayListVsLinkedList#addLast 对比尾部插入性能
- day01.list.ArrayListVsLinkedList#linkedListSize 打印一个 LinkedList 占用内存
- day01.list.ArrayListVsLinkedList#arrayListSize 打印一个 ArrayList 占用内存