面试题：Java中HashSet扩容机制对性能的基础影响

Question

请简述Java HashSet的扩容机制，并说明扩容操作对其性能产生了哪些直接影响？

Answer 1

HashSet的扩容机制

1. 基于HashMap实现：在Java中，HashSet内部是通过HashMap实现的。HashSet的容量、负载因子等相关概念都依赖于HashMap。
2. 容量与负载因子：
   • 容量（Capacity）：指HashMap内部数组的大小，初始容量默认是16。
   • 负载因子（Load Factor）：默认值是0.75。负载因子表示HashMap在其容量自动增加之前可以达到多满的一种尺度。
   • 阈值（Threshold）：当HashMap中的键值对数量（size）达到阈值（阈值 = 容量 * 负载因子）时，就会触发扩容。例如，初始容量为16，负载因子为0.75，则阈值为16 * 0.75 = 12 。当HashSet中元素个数达到12时，就会触发扩容。
3. 扩容过程：
   • 创建新数组：扩容时会创建一个新的数组，新数组的大小是原数组大小的2倍。例如原数组大小为16，扩容后变为32。
   • 重新计算哈希值与迁移数据：将原数组中的元素重新计算哈希值，并根据新的哈希值重新分配到新数组的对应位置。这是因为数组大小改变后，元素的哈希值对应的数组索引位置可能会发生变化。

扩容操作对性能的直接影响

1. 时间性能影响：
   • 扩容瞬间性能损耗：扩容时需要创建新数组并重新分配元素，这涉及大量的计算和数据迁移操作，会导致在扩容瞬间性能急剧下降，时间复杂度较高。例如，在元素较多时，重新计算哈希值和迁移数据会消耗大量的CPU时间。
   • 后续插入性能提升：扩容后，由于数组变大，哈希冲突的概率降低，后续插入元素时查找和插入操作的平均时间复杂度会降低，性能有所提升。例如，在哈希冲突较少的情况下，插入元素的时间复杂度更接近理想的O(1)。
2. 空间性能影响：
   • 空间占用增加：扩容后数组变大，会占用更多的内存空间。虽然这在一定程度上减少了哈希冲突，但如果元素数量没有持续增长，会造成内存空间的浪费。例如，扩容后可能有很多数组位置是空的，但依然占用了内存。