數據結構 5 哈希表/HashMap 、自動擴容、多執行緒會出現的問題
- 2020 年 3 月 15 日
- 筆記
上一節，我們已經介紹了最重要的B樹以及B+樹，使用的情況以及區別的內容。當然，本節課，我們將學習重要的一個數據結構、哈希表
哈希表
哈希也常被稱作是散列表，為什麼要這麼稱呼呢，散列、散列、其元素分布較鬆散、經常用來儲存例如key-value的數據、這樣有什麼好處呢？我們來細細琢磨一下：
- 公安 110
- 急救 120
- 火警 114
假設我們需要將這幾個數據保存下來，並且取出的時候，我知道公安 我就能立馬查找出公安所對應的號碼。並且是快速查詢出？怎麼做呢？
我們都知道，數組通過索引的方式，也就是下標，它的時間複雜度是最低的。O(1)
通過下標一下子就能找出來。我們有沒有辦法，通過我們當前的這個key 來算出hash 值呢？
這裡的算 這個過程，就是一個生成索引的過程，就是我們所說的哈希（hash）
畫圖理解一下
假設我們的Hash 演算法我們自己定義的，已知條件，所以我們隨便知道一個值key 就能算出這個值存在數組的下標，所以呢 能夠實現快速查詢。
哈希碰撞
就是兩個元素算出的hash值一樣呢？就會產生衝突，這樣的情況只能避免，不能消除。
HashMap
我們來看看JAVA 裡面的HashMap 是怎麼實現的吧；
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f; static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16 public HashMap() { this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted }DEFAULT_LOAD_FACTOR= 荷載係數 默認是0.75 荷載比例大於這個數值的時候，就需要擴容了。
DEFAULT_INITIAL_CAPACITY=初始化容量大小 16
transient Node<K,V>[] table;我們可以發現，它其中有一個table 的數組，類型是Node,很顯然，這就是底層的數組，放置的數據就是這個節點包裝類。
Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) { this.hash = hash; this.key = key; this.value = value; this.next = next; }節點帶有當前的hash值，以及鍵值、我們還會發現，他會帶有一個next 元素的指針，這說明什麼？就是單向鏈表唄。
put 增加一個節點
我們構造一個新的map 集合，通過put(k,v) 向散列表中增加一個節點資訊。
Map<String,String> map = new HashMap<>(); map.put("key","value"); ------------ public V put(K key, V value) { return putVal(hash(key), key, value, false, true); } static final int hash(Object key) { int h; return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16); }我們得知，這個hash(obj) 方法將傳過來的key 通過運算得出hash 值。
hashCode() 是Object 類裡面的一個方法。
public int hashCode() { int h = hash; if (h == 0 && value.length > 0) { char val[] = value; for (int i = 0; i < value.length; i++) { h = 31 * h + val[i]; } hash = h; } return h; }這通常通過將對象的內部地址轉換為整數來實現，但Java的程式語言不需要此實現技術。
說白了就是：將這個對象的記憶體地址通過一種整數的方式展現給我們。
將得到的哈希值進行 無符號右移 16位。 >>>
在與原來的哈希值進行異或^ 進行運算得出hash值。
putVal()
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) { Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i; if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) n = (tab = resize()).length; 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; else if (p instanceof TreeNode) e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value); else { 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); 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; afterNodeAccess(e); return oldValue; } } ++modCount; if (++size > threshold) resize(); afterNodeInsertion(evict); return null; }主要的元素填入是putVal()方法。我簡單說一下這個方法：
- 通過傳入的hash 值確定這個元素將要放入的位置
i - 確定
i位置是否有元素 - 若有元素。則通過鏈表的形式。
後入式插入 - 若沒有元素，則撇進去即可。
後入式插入 解釋一下這個詞：不要想歪啊，學術研究。
後面的元素則會替換原有的位置，後加入的元素下一個元素的指針指向原來的元素
get()
final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) { Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k; if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 && (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) { if (first.hash == hash && // always check first node ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) return first; if ((e = first.next) != null) { if (first instanceof TreeNode) return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key); do { if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) return e; } while ((e = e.next) != null); } } return null; }將HashMap 增加順序反過來即可。我們還是總結一下：
- 通過傳入的
key計算出哈希值。 通過hash值確定這個元素原來存在的數組下標位置i。 - 訪問數組指定位置
i確定位置，這個元素存在與否。若存在則直接返回。 - 若對比後發現不是這個元素。也沒有下一個元素的指針
next則返回null - 若存在下一個指針，則開始遍歷查找。
HashMap 長度
默認初始化長度為16 這個經常會被面試問到。還有一點就是：HashMap 的自動擴容或者手動指定長度。一般都是2的冪函數。 就是2的x次方。
為啥要選擇這樣，因為是和Hash 演算法有關。一般情況下。hash的值基本上都是由key的後幾位決定的。所以，這個就了解就可以了。不必要深究。
自動擴容
我們在上面涉及到一個 DEFAULT_LOAD_FACTOR=荷載係數默認0.75
當底層數組的大小不足以容納後面的元素的時候，就會發生擴容。也就是resize()
HashMap 主要涉及擴容的方法就是resize()
final Node<K,V>[] resize() { Node<K,V>[] oldTab = table; int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length; int oldThr = threshold; int newCap, newThr = 0; if (oldCap > 0) { if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) { threshold = Integer.MAX_VALUE; return oldTab; } else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY && oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY) newThr = oldThr << 1; // double threshold } else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold newCap = oldThr; else { // zero initial threshold signifies using defaults 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; 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; if ((e.hash & oldCap) == 0) { if (loTail == null) loHead = e; else loTail.next = e; loTail = e; } 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; }什麼時候會發生擴容呢？當前容量>=總容量*荷載係數
- 創建一個新的數組，創建一個新的數組，長度是原來的2倍。
- 遍歷
oldTab取出元素的鍵後，重新進行hash,算出index=i = (newCap - 1) & hash - 重新插入元素。
多執行緒下的HashMap
HashMap 在單執行緒下是安全的，但是不可用於多執行緒。
多執行緒下，HashMap 很容易形成鏈表環。這個記下來就可以了。
119 的下一個元素指向114
而114的下一個元素又會指向119 這樣很容易形成死鎖
小結
通過本節，應該了解到一個重要的概念。哈希，以及哈希在JAVA 裡面涉及到的HashMap。而HashMap 幾個重要的概念，最後再次聲明一下：
- HashMap 適用於單執行緒，多執行緒會出現死鎖（鏈表環）
- HashMap 默認數組大小 16 荷載係數 0.75
- HashMap 在擴容的時候，擴容為本身的兩倍，並且重新進行put()
參考
https://mp.weixin.qq.com/s/HzRH9ZJYmidzW5jrMvEi4w
