面试加分项-HashMap源码中这些常量的设计目的

2019-09-08 09:54:18来源:博客园 阅读 ()

面试加分项-HashMap源码中这些常量的设计目的

前言

之前周会技术分享,一位同事讲解了HashMap的源码,涉及到一些常量设计的目的,本文将谈谈这些常量为何这样设计,希望大家有所收获。

HashMap默认初始化大小为什么是1 << 4(16)

/**
 * The default initial capacity - MUST be a power of two.
 */
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; 

HashMap默认初始化大小为什么是16,这里分两个维度分析,为什么是2的幂,为什么是16而不是8或者32。

默认初始化大小为什么定义为2的幂?

 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);

我们知道HashMap的底层数据结构是数组+链表/数组+红黑树,由以上方法,可以发现数组下标索引的定位公式是:i = (n - 1) & hash,当初始化大小n是2的倍数时,(n - 1) & hash等价于n%hash。定位下标一般用取余法,为什么这里不用取余呢?

  • 因为,与运算(&)比取余(%)运算效率高
  • 求余运算: a % b就相当与a-(a / b)*b 的运算。
  • 与运算: 一个指令就搞定

因此,默认初始化大定义为2的幂,就是为了使用更高效的与运算

默认初始化大小为什么是16而不是8或者32?

如果太小,4或者8,扩容比较频繁;如果太大,32或者64甚至太大,又占用内存空间

打个比喻,假设你开了个情侣咖啡厅,平时一般都是7,8对情侣来喝咖啡,高峰也就10对。那么,你是不是设置8个桌子就好啦,如果人来得多再考虑加桌子。如果设置4桌,那么就经常座位不够要加桌子,如果设置10桌或者更多,那么肯定占地方嘛。

默认加载因子为什么是0.75

    /**
     * The load factor used when none specified in constructor.
     */
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

加载因子表示哈希表的填满程度,跟扩容息息相关。为什么不是0.5或者1呢?

如果是0.5,就是说哈希表填到一半就开始扩容了,这样会导致扩容频繁,并且空间利用率比较低。
如果是1,就是说哈希表完全填满才开始扩容,这样虽然空间利用提高了,但是哈希冲突机会却大了。可以看一下源码文档的解释:

 * <p>As a general rule, the default load factor (.75) offers a good
 * tradeoff between time and space costs.  Higher values decrease the
 * space overhead but increase the lookup cost (reflected in most of
 * the operations of the <tt>HashMap</tt> class, including
 * <tt>get</tt> and <tt>put</tt>).  The expected number of entries in
 * the map and its load factor should be taken into account when
 * setting its initial capacity, so as to minimize the number of
 * rehash operations.  If the initial capacity is greater than the
 * maximum number of entries divided by the load factor, no rehash
 * operations will ever occur.

翻译大概意思是:

作为一般规则,默认负载因子(0.75)在时间和空间成本上提供了良好的权衡。负载因子数值越大,空间开销越低,但是会提高查找成本(体现在大多数的HashMap类的操作,包括get和put)。设置初始大小时,应该考虑预计的entry数在map及其负载系数,并且尽量减少rehash操作的次数。如果初始容量大于最大条目数除以负载因子,rehash操作将不会发生。

简言之, 负载因子0.75是冲突的机会空间利用率权衡的最后体现,也是一个程序员实验的经验值。

StackOverFlow有个回答这个问题的:
What is the significance of load factor in HashMap?


这个回答解释:一个bucket空和非空的概率为0.5,通过牛顿二项式等数学计算,得到这个loadfactor的值为log(2),约等于0.693

最后选择选择0.75,可能0.75是接近0.693的四舍五入数中,比较好理解的一个,并且默认容量大小16*0.75=12,为一个整数。

链表转换红黑树的阀值为什么是8

    /**
     * The bin count threshold for using a tree rather than list for a
     * bin.  Bins are converted to trees when adding an element to a
     * bin with at least this many nodes. The value must be greater
     * than 2 and should be at least 8 to mesh with assumptions in
     * tree removal about conversion back to plain bins upon
     * shrinkage.
     */
    static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;

JDK8及以后的版本中,HashMap底层数据结构引入了红黑树。当添加元素的时候,如果桶中链表元素超过8,会自动转为红黑树。那么阀值为什么是8呢?请看HashMap的源码这段注释:

* Ideally, under random hashCodes, the frequency of
* nodes in bins follows a Poisson distribution
* (http://en.wikipedia.org/wiki/Poisson_distribution) with a
* parameter of about 0.5 on average for the default resizing
* threshold of 0.75, although with a large variance because of
* resizing granularity. Ignoring variance, the expected
* occurrences of list size k are (exp(-0.5) * pow(0.5, k) /
* factorial(k)). The first values are:
*
* 0:    0.60653066
* 1:    0.30326533
* 2:    0.07581633
* 3:    0.01263606
* 4:    0.00157952
* 5:    0.00015795
* 6:    0.00001316
* 7:    0.00000094
* 8:    0.00000006
* more: less than 1 in ten million

理想状态中,在随机哈希码情况下,对于默认0.75的加载因子,桶中节点的分布频率服从参数为0.5的泊松分布,即使粒度调整会产生较大方差。

由对照表,可以看到链表中元素个数为8时的概率非常非常小了,所以链表转换红黑树的阀值选择了8。

一个树的链表还原阈值为什么是6

/**
     * The bin count threshold for untreeifying a (split) bin during a
     * resize operation. Should be less than TREEIFY_THRESHOLD, and at
     * most 6 to mesh with shrinkage detection under removal.
     */
    static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;

上一小节分析,可以知道,链表树化阀值是8,那么树还原为链表为什么是6而不是7呢?这是为了防止链表和树之间频繁的转换。如果是7的话,假设一个HashMap不停的插入、删除元素,链表个数一直在8左右徘徊,就会频繁树转链表、链表转树,效率非常低下。

最大容量为什么是1 << 30

/**
     * The maximum capacity, used if a higher value is implicitly specified
     * by either of the constructors with arguments.
     * MUST be a power of two <= 1<<30.
     */
    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

HashMap为什么要满足2的n次方?

由第一小节(HashMap默认初始化大小为什么是1 << 4)分析可知,HashMap容量需要满足2的幂,与运算比取余运算效率高。只有容量是2的n次方时,与运算才等于取余运算。

tab[i = (n - 1) & hash]

为什么不是2的31次方呢?

我们知道,int占四个字节一个字节占8位,所以是32位整型,也就是说最多32位。那按理说,最大数可以向左移动31位即2的31次幂,在这里为什么不是2的31次方呢

实际上,二进制数的最左边那一位是符号位,用来表示正负的,我们来看一下demo代码:

        System.out.println(1<<30);
        System.out.println(1<<31);
        System.out.println(1<<32);
        System.out.println(1<<33);
        System.out.println(1<<34);

输出:

1073741824
-2147483648
1
2
4

所以,HashMap最大容量是1 << 30。

哈希表的最小树形化容量为什么是64

    /**
     * The smallest table capacity for which bins may be treeified.
     * (Otherwise the table is resized if too many nodes in a bin.)
     * Should be at least 4 * TREEIFY_THRESHOLD to avoid conflicts
     * between resizing and treeification thresholds.
     */
    static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;

这是因为容量低于64时,哈希碰撞的机率比较大,而这个时候出现长链表的可能性会稍微大一些,这种原因下产生的长链表,我们应该优先选择扩容而避免不必要的树化。

参考与感谢

  • HashMap的loadFactor为什么是0.75?
  • 为什么java Hashmap 中的加载因子是默认为0.75
  • 为什么HashMap中链表长度超过8会转换成红黑树
  • What is the significance of load factor in HashMap?
  • HashMap的最大容量为什么是2的30次方
  • Java 程序员都该懂的 Java8 HashMap

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