「面試必問」BTree、紅黑樹、哈希算法分析、哈希表源碼解析

時間  2021-08-14
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前言：

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高頻面試題：BTree、紅黑樹、哈希算法分析、哈希表源碼分析

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第一章 BTree、紅黑樹

1.1 BTree

  • 二叉樹：binary tree ,是每一個結點不超過2的有序樹（tree） 。

簡單的理解，就是一種相似於咱們生活中樹的結構，只不過每一個結點上都最多隻能有兩個子結點。面試

二叉樹是每一個節點最多有兩個子樹的樹結構。頂上的叫根結點，兩邊被稱做「左子樹」和「右子樹」。算法

如圖：數組

1.2 紅黑樹

咱們要說的是二叉樹的一種比較有意思的叫作紅黑樹，紅黑樹自己就是一顆二叉查找樹，將節點插入後，該樹仍然是一顆二叉查找樹。markdown

如圖:app

紅黑樹能夠經過紅色節點和黑色節點儘量的保證二叉樹的平衡，從而來提升效率。函數

紅黑樹的約束:源碼分析

  1. 節點能夠是紅色的或者黑色的。
  2. 根節點是黑色的。
  3. 葉子節點(特指空節點)是黑色的。
  4. 每一個紅色節點的子節點都是黑色的。
  5. 任何一個節點到其每個葉子節點的全部路徑上黑色節點數相同。

紅黑樹的特色:post

速度特別快,趨近平衡樹。性能

第二章 哈希算法分析、哈希表源碼分析

2.1 對象的哈希值

java.lang.Object類中定義了方法：public int hashCode()返回對象的哈希碼值，任何類都繼承Object，也都會擁有此方法。

定義Person類，不添加任何成員，直接調用Person對象的hashCode()方法，執行Object類的hashCode()：

public class Person{}
複製代碼

測試類

public static void main(String[] args){
	Person person = new Person();
	int code = person.hashCode();
}
複製代碼

看到運行結果，就是一個int類型的整數，若是將這個整數轉爲十六進制就看到所謂的對象地址值，可是他不是地址值，咱們將他稱爲對象的哈希值。

Person類重寫hashCode()方法：直接返回0

public int hashCode(){
	return 0;
}
複製代碼

運行後，方法將執行Person類的重寫方法，結果爲0，屬於Person類自定義對象的哈希值，而沒有使用父類Object類方法hashCode()。

2.2 String對象的哈希值

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());
}
複製代碼

程序分析：兩個字符串對象都是採用new關鍵字建立的，s1==s2的結果爲false，可是s1，s2兩個對象的哈希值倒是相同的，均爲96354，緣由是String類繼承Object，重寫了父類方法hashCode()創建本身的哈希值。

String類的hashCode方法源碼分析

字符串底層實現是字符數組，被final修飾，一旦建立不能修改。

private final char value[];
複製代碼

定義字符串「abc」或者是new String("abc")，都會轉成char value[]數組存儲，長度爲3。

/* * String類重寫方法hashCode() * 返回自定義的哈希值 */
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;
}
複製代碼

String的哈希算法分析

  • int h = hash，hash是成員變量，默認值0，int h = 0。
  • 判斷h==0爲true && value.length>0，數組value的長度爲3，保存三個字符abc，判斷結果總體爲true。
  • char val[] = value，將value數組賦值給val數組。
  • for循環3次，將value數組進行遍歷，取出abc三個字符。
  • 第一次循環： h = 31 * h + val[0]，h = 31 * 0 + 97結果：h = 97。
  • 第二次循環： h = 31 * 97 + val[1]，h = 31 * 97 + 98結果：h = 3105。
  • 第三次循環： h = 31 * 3105 + val[2]，h = 31 * 3105 + 99結果：h = 96354。
  • return 96354。
  • 算法：31 * 上一次的哈希值+字符的ASCII碼值，31屬於質數，每次乘以31是爲了下降字符串不一樣，可是計算出相同哈希值的機率。

2.3 哈希表

什麼是哈希表呢？

在JDK1.8以前，哈希表底層採用數組+鏈表實現，即便用數組處理衝突，同一hash值的鏈表都存儲在一個數組裏。可是當位於一個桶中的元素較多，即hash值相等的元素較多時，經過key值依次查找的效率較低。而JDK1.8中，哈希表存儲採用數組+鏈表+紅黑樹實現，當鏈表長度超過閾值（8）時，將鏈表轉換爲紅黑樹，這樣大大減小了查找時間。

  • 哈希表的初始化容量，數組長度爲16個
    • 當數組容量不夠時，擴容爲原數組長度的2倍
  • 加載因子爲0.75
    • 指示當數組的容量被使用到長度的75%時，進行擴容。

簡單的來講，哈希表是由數組+鏈表+紅黑樹（JDK1.8增長了紅黑樹部分）實現的，以下圖所示。

2.4 哈希表存儲字符對象的過程圖

總而言之，JDK1.8引入紅黑樹大程度優化了HashMap的性能，那麼對於咱們來說保證HashSet集合元素的惟一，其實就是根據對象的hashCode和equals方法來決定的。若是咱們往集合中存放自定義的對象，那麼保證其惟一，就必須複寫hashCode和equals方法創建屬於當前對象的比較方式。

2.5 哈希表源代碼分析

HashSet集合自己並不提供功能，底層依賴HashMap集合，HashSet構造方法中建立了HashMap對象：

map = new HashMap<>();
複製代碼

所以源代碼分析是分析HashMap集合的源代碼，HashSet集合中的add方法調研的是HashMap集合中的put方法。

HashMap無參數構造方法的分析

//HashMap中的靜態成員變量
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
public HashMap() {
    this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}
複製代碼

解析：使用無參數構造方法建立HashMap對象，將加載因子設置爲默認的加載因子，loadFactor=0.75F。

HashMap有參數構造方法分析

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);
}
複製代碼

解析帶有參數構造方法，傳遞哈希表的初始化容量和加載因子

  • 若是initialCapacity（初始化容量）小於0，直接拋出異常。
  • 若是initialCapacity大於最大容器，initialCapacity直接等於最大容器
    • MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30 是最大容量 (1073741824)
  • 若是loadFactor（加載因子）小於等於0，直接拋出異常
  • tableSizeFor（initialCapacity）方法計算哈希表的初始化容量。
    • 注意：哈希表是進行計算得出的容量，而初始化容量不直接等於咱們傳遞的參數。

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;
}
複製代碼

解析該方法對咱們傳遞的初始化容量進行位移運算，位移的結果是 8 4 2 1 碼

  • 例如傳遞2，結果仍是2，傳遞的是4，結果仍是4。
  • 例如傳遞3，結果是4，傳遞5，結果是8，傳遞20，結果是32。

Node 內部類分析

哈希表是採用數組+鏈表的實現方法，HashMap中的內部類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;
}
複製代碼

解析內部類Node中具備4個成員變量

  • hash，對象的哈希值
  • key，做爲鍵的對象
  • value，做爲值得對象（講解Set集合，不牽扯值得問題）
  • next，下一個節點對象

存儲元素的put方法源碼

public V put(K key, V value) {
	return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
複製代碼

解析put方法中調研putVal方法，putVal方法中調用hash方法。

  • hash(key)方法：傳遞要存儲的元素，獲取對象的哈希值
  • putVal方法，傳遞對象哈希值和要存儲的對象key

putVal方法源碼

Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
	if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
		n = (tab = resize()).length;
複製代碼

解析方法中進行Node對象數組的判斷，若是數組是null或者長度等於0，那麼就會調研resize()方法進行數組的擴容。

resize方法的擴容計算

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
}
複製代碼

解析計算結果，新的數組容量=原始數組容量<<1，也就是乘以2。

肯定元素存儲的索引

if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
	 tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
複製代碼

解析：i = (數組長度 - 1) & 對象的哈希值，會獲得一個索引，而後在此索引下tab[i]，建立鏈表對象。

不一樣哈希值的對象，也是有可能存儲在同一個數組索引下。

遇到重複哈希值的對象

Node<K,V> e; K k;
 if (p.hash == hash &&
 	((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
		 e = p;
複製代碼

解析若是對象的哈希值相同，對象的equals方法返回true，判斷爲一個對象，進行覆蓋操做。

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;
 }
複製代碼

解析若是對象哈希值相同，可是對象的equals方法返回false，將對此鏈表進行遍歷，當鏈表沒有下一個節點的時候，建立下一個節點存儲對象。

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