「面试必问」BTree、红黑树、哈希算法分析、哈希表源码解析

前言：

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高频面试题：BTree、红黑树、哈希算法分析、哈希表源码分析

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第一章 BTree、红黑树

1.1 BTree

• 二叉树：binary tree ,是每一个结点不超过2的有序树（tree） 。

简单的理解，就是一种相似于咱们生活中树的结构，只不过每一个结点上都最多只能有两个子结点。

二叉树是每一个节点最多有两个子树的树结构。顶上的叫根结点，两边被称做“左子树”和“右子树”。

如图：

1.2 红黑树

咱们要说的是二叉树的一种比较有意思的叫作红黑树，红黑树自己就是一颗二叉查找树，将节点插入后，该树仍然是一颗二叉查找树。

如图:

红黑树能够经过红色节点和黑色节点尽量的保证二叉树的平衡，从而来提升效率。

红黑树的约束:

1. 节点能够是红色的或者黑色的。
2. 根节点是黑色的。
3. 叶子节点(特指空节点)是黑色的。
4. 每一个红色节点的子节点都是黑色的。
5. 任何一个节点到其每个叶子节点的全部路径上黑色节点数相同。

红黑树的特色:

速度特别快,趋近平衡树。

第二章 哈希算法分析、哈希表源码分析

2.1 对象的哈希值

java.lang.Object类中定义了方法：public int hashCode()返回对象的哈希码值，任何类都继承Object，也都会拥有此方法。

定义Person类，不添加任何成员，直接调用Person对象的hashCode()方法，执行Object类的hashCode()：

public class Person{}
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测试类

public static void main(String[] args){
	Person person = new Person();
	int code = person.hashCode();
}
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看到运行结果，就是一个int类型的整数，若是将这个整数转为十六进制就看到所谓的对象地址值，可是他不是地址值，咱们将他称为对象的哈希值。

Person类重写hashCode()方法：直接返回0

public int hashCode(){
	return 0;
}
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运行后，方法将执行Person类的重写方法，结果为0，属于Person类自定义对象的哈希值，而没有使用父类Object类方法hashCode()。

2.2 String对象的哈希值

public static void main(String[] args){
    String s1 = new String("abc");
    String s2 = new String("abc");
    System.out.println(s1.hashCode());
    System.out.println(s2.hashCode());
}
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程序分析：两个字符串对象都是采用new关键字建立的，s1==s2的结果为false，可是s1，s2两个对象的哈希值倒是相同的，均为96354，缘由是String类继承Object，重写了父类方法hashCode()创建本身的哈希值。

String类的hashCode方法源码分析

字符串底层实现是字符数组，被final修饰，一旦建立不能修改。

private final char value[];
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定义字符串“abc”或者是new String("abc")，都会转成char value[]数组存储，长度为3。

/* * String类重写方法hashCode() * 返回自定义的哈希值 */
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;
}
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String的哈希算法分析

• int h = hash，hash是成员变量，默认值0，int h = 0。
• 判断h==0为true && value.length>0，数组value的长度为3，保存三个字符abc，判断结果总体为true。
• char val[] = value，将value数组赋值给val数组。
• for循环3次，将value数组进行遍历，取出abc三个字符。

• 第一次循环： h = 31 * h + val[0]，h = 31 * 0 + 97结果：h = 97。
• 第二次循环： h = 31 * 97 + val[1]，h = 31 * 97 + 98结果：h = 3105。
• 第三次循环： h = 31 * 3105 + val[2]，h = 31 * 3105 + 99结果：h = 96354。
• return 96354。

• 算法：31 * 上一次的哈希值+字符的ASCII码值，31属于质数，每次乘以31是为了下降字符串不一样，可是计算出相同哈希值的几率。

2.3 哈希表

什么是哈希表呢？

在JDK1.8以前，哈希表底层采用数组+链表实现，即便用数组处理冲突，同一hash值的链表都存储在一个数组里。可是当位于一个桶中的元素较多，即hash值相等的元素较多时，经过key值依次查找的效率较低。而JDK1.8中，哈希表存储采用数组+链表+红黑树实现，当链表长度超过阈值（8）时，将链表转换为红黑树，这样大大减小了查找时间。

• 哈希表的初始化容量，数组长度为16个
  • 当数组容量不够时，扩容为原数组长度的2倍
• 加载因子为0.75
  • 指示当数组的容量被使用到长度的75%时，进行扩容。

简单的来讲，哈希表是由数组+链表+红黑树（JDK1.8增长了红黑树部分）实现的，以下图所示。

2.4 哈希表存储字符对象的过程图

总而言之，JDK1.8引入红黑树大程度优化了HashMap的性能，那么对于咱们来说保证HashSet集合元素的惟一，其实就是根据对象的hashCode和equals方法来决定的。若是咱们往集合中存放自定义的对象，那么保证其惟一，就必须复写hashCode和equals方法创建属于当前对象的比较方式。

2.5 哈希表源代码分析

HashSet集合自己并不提供功能，底层依赖HashMap集合，HashSet构造方法中建立了HashMap对象：

map = new HashMap<>();
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所以源代码分析是分析HashMap集合的源代码，HashSet集合中的add方法调研的是HashMap集合中的put方法。

HashMap无参数构造方法的分析

//HashMap中的静态成员变量
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
public HashMap() {
    this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}
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解析：使用无参数构造方法建立HashMap对象，将加载因子设置为默认的加载因子，loadFactor=0.75F。

HashMap有参数构造方法分析

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
    if (initialCapacity < 0)
    	throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
    initialCapacity);
    if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
    	initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
    if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
    	throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
    loadFactor);
    this.loadFactor = loadFactor;
    this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}
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解析带有参数构造方法，传递哈希表的初始化容量和加载因子

• 若是initialCapacity（初始化容量）小于0，直接抛出异常。
• 若是initialCapacity大于最大容器，initialCapacity直接等于最大容器
  • MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30 是最大容量 (1073741824)
• 若是loadFactor（加载因子）小于等于0，直接抛出异常
• tableSizeFor（initialCapacity）方法计算哈希表的初始化容量。
  • 注意：哈希表是进行计算得出的容量，而初始化容量不直接等于咱们传递的参数。

tableSizeFor方法分析

static final int tableSizeFor(int cap) {
    int n = cap - 1;
    n |= n >>> 1;
    n |= n >>> 2;
    n |= n >>> 4;
    n |= n >>> 8;
    n |= n >>> 16;
    return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}
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解析该方法对咱们传递的初始化容量进行位移运算，位移的结果是 8 4 2 1 码

• 例如传递2，结果仍是2，传递的是4，结果仍是4。
• 例如传递3，结果是4，传递5，结果是8，传递20，结果是32。

Node 内部类分析

哈希表是采用数组+链表的实现方法，HashMap中的内部类Node很是重要

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
     final int hash;
     final K key;
     V value;
     Node<K,V> next;
 Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
     this.hash = hash;
     this.key = key;
     this.value = value;
     this.next = next;
}
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解析内部类Node中具备4个成员变量

• hash，对象的哈希值
• key，做为键的对象
• value，做为值得对象（讲解Set集合，不牵扯值得问题）
• next，下一个节点对象

存储元素的put方法源码

public V put(K key, V value) {
	return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
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解析put方法中调研putVal方法，putVal方法中调用hash方法。

• hash(key)方法：传递要存储的元素，获取对象的哈希值
• putVal方法，传递对象哈希值和要存储的对象key

putVal方法源码

Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
	if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
		n = (tab = resize()).length;
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解析方法中进行Node对象数组的判断，若是数组是null或者长度等于0，那么就会调研resize()方法进行数组的扩容。

resize方法的扩容计算

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
}
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解析计算结果，新的数组容量=原始数组容量<<1，也就是乘以2。

肯定元素存储的索引

if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
	 tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
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解析：i = (数组长度 - 1) & 对象的哈希值，会获得一个索引，而后在此索引下tab[i]，建立链表对象。

不一样哈希值的对象，也是有可能存储在同一个数组索引下。

遇到重复哈希值的对象

Node<K,V> e; K k;
 if (p.hash == hash &&
 	((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
		 e = p;
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解析若是对象的哈希值相同，对象的equals方法返回true，判断为一个对象，进行覆盖操做。

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;
 }
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解析若是对象哈希值相同，可是对象的equals方法返回false，将对此链表进行遍历，当链表没有下一个节点的时候，建立下一个节点存储对象。

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