一文带你深入理解Hashtable
概述
HashTable是jdk 1.0中引入的产物，基本上现在很少使用了，但是会在面试中经常被问到，你都知道吗：
- HashTable底层的实现机制是什么？
- HashTable的扩容机制是什么？
- HashTable和HashMap的区别是什么？
介绍和使用
和HashMap一样，Hashtable也是一个散列表，它存储的内容是键值对(key-value)映射, 重要特点如下:
- 存储key-value键值对格式
- 是无序的
- 底层通过数组+链表的方式实现
- 通过synchronized关键字实现线程安全
- key、value都不可以为null（为null时将抛出NullPointerException）
以上是Hashtable的类结构图：
- 实现了Map接口，提供了键值对增删改查等基础操作
- 继承了Dictionary字典类，Dictionary是声明了操作"键值对"函数接口的抽象类。
- 实现了Cloneable接口，实现数据的浅拷贝
- 实现了Serializable接口，标记Hashtable支持序列化
使用案例：
@Test
public void test() {
Hashtable<String, String> table=new Hashtable<>();
Hashtable<String, String> table1=new Hashtable<>(16);
Hashtable<String, String> table2=new Hashtable<>(16, 0.75f);
table.put("T1", "1");
table.put("T2", "2");
System.out.println(table);
// 报空指针异常
table.put(null, "3");
}
运行结果：
核心机制
实现机制
和HashMap相似，Hashtable底层采用数组+链表的数据结构，根据key找到数组对应的桶，相同的key通过链表维护，当数组桶的使用到达阈值后，会进行动态扩容。但是和HashMap不同的是，链表不会转换为红黑树。
扩容机制
扩容机制依赖两个成员变量，初始容量 和 加载因子。他们可以通过构造函数设置。
容量是值哈希表中桶的数量，初始容量就是哈希表创建时的容量。当容量达到阈值的时候，会进行扩容操作，每次扩容是原来容量的2倍加1，然后重新为hashtable中的每个元素重新分配桶的位置。
那阈值是多少呢，Hashtable的阈值，用于判断是否需要调整Hashtable的容量，等于"Hashtable当前的容量*加载因子"。
通常，默认加载因子是 0.75, 这是在时间和空间成本上寻求一种折衷。加载因子过高虽然减少了空间开销，但同时也增加了查找某个条目的时间。
源码解析
成员变量
// 内部采用Entry数组存储键值对数据，Entry实际为单向链表的表头
private transient Entry<?,?>[] table;
// HashTable里键值对个数
private transient int count;
// 扩容阈值，当超过这个值时，进行扩容操作，计算方式为：数组容量*加载因子
private int threshold;
// 加载因子
private float loadFactor;
// 修改次数，用于快速失败机制
private transient int modCount = 0;
Entry的数据结构如下：
private static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash;
final K key;
V value;
Entry<K,V> next;
protected Entry(int hash, K key, V value, Entry<K,V> next) {
this.hash = hash;
this.key = key;
this.value = value;
this.next = next;
}
......
}
- Entry是单向链表节点，next指向下一个entry
构造函数
// 设置指定容量和加载因子，初始化HashTable
public Hashtable(int initialCapacity, float loadFactor) {
// 非法参数校验
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
initialCapacity);
// 非法参数校验
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal Load: "+loadFactor);
if (initialCapacity==0)
// 容量最小为1
initialCapacity = 1;
this.loadFactor = loadFactor;
// 初始化数组
table = new Entry<?,?>[initialCapacity];
// 初始扩容阈值
threshold = (int)Math.min(initialCapacity * loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE + 1);
}
// 设置指定容量初始HashTable，加载因子为0.75
public Hashtable(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, 0.75f);
}
// 手动指定数组初始容量为11，加载因子为0.75
public Hashtable() {
this(11, 0.75f);
}
put方法
// 方法synchronized修饰，线程安全
public synchronized V put(K key, V value) {
// 如果value为空，直接空指针
if (value == null) {
throw new NullPointerException();
}
// Makes sure the key is not already in the hashtable.
Entry<?,?> tab[] = table;
// 得到key的哈希值
int hash = key.hashCode();
// 得到该key存在到数组中的下标
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
@SuppressWarnings("unchecked")
// 得到该下标对应的Entry
Entry<K,V> entry = (Entry<K,V>)tab[index];
// 如果该下标的Entry不为null，则进行链表遍历
for(; entry != null ; entry = entry.next) {
// 遍历链表，如果存在key相等的节点，则替换这个节点的值，并返回旧值
if ((entry.hash == hash) && entry.key.equals(key)) {
V old = entry.value;
entry.value = value;
return old;
}
}
// 如果数组下标对应的节点为空，或者遍历链表后发现没有和该key相等的节点，则执行插入操作
addEntry(hash, key, value, index);
return null;
}
private void addEntry(int hash, K key, V value, int index) {
// 修改次数+1
modCount++;
Entry<?,?> tab[] = table;
// 判断是否需要扩容
if (count >= threshold) {
// 如果count大于等于扩容阈值，则进行扩容
rehash();
tab = table;
// 扩容后，重新计算该key在扩容后table里的下标
hash = key.hashCode();
index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
}
// Creates the new entry.
@SuppressWarnings("unchecked")
// 采用头插的方式插入，index位置的节点为新节点的next节点
// 新节点取代inde位置节点
Entry<K,V> e = (Entry<K,V>) tab[index];
tab[index] = new Entry<>(hash, key, value, e);
// count+1
count++;
}
扩容rehash源码如下：
protected void rehash() {
// 暂存旧的table和容量
int oldCapacity = table.length;
Entry<?,?>[] oldMap = table;
// 新容量为旧容量的2n+1倍
int newCapacity = (oldCapacity << 1) + 1;
// 判断新容量是否超过最大容量
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0) {
// 如果旧容量已经是最大容量大话，就不扩容了
if (oldCapacity == MAX_ARRAY_SIZE)
// Keep running with MAX_ARRAY_SIZE buckets
return;
// 新容量最大值只能是MAX_ARRAY_SIZE
newCapacity = MAX_ARRAY_SIZE;
}
// 用新容量创建一个新Entry数组
Entry<?,?>[] newMap = new Entry<?,?>[newCapacity];
// 模数+1
modCount++;
// 重新计算下次扩容阈值
threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE + 1);
// 将新Entry数组赋值给table
table = newMap;
// 遍历数组和链表，进行新table赋值操作
for (int i = oldCapacity ; i-- > 0 ;) {
for (Entry<K,V> old = (Entry<K,V>)oldMap[i] ; old != null ; ) {
Entry<K,V> e = old;
old = old.next;
int index = (e.hash & 0x7FFFFFFF) % newCapacity;
e.next = (Entry<K,V>)newMap[index];
newMap[index] = e;
}
}
}
- rehash()方法中我们可以看到容量扩大两倍+1，同时需要将原来HashTable中的元素，重新计算索引位置一一复制到新的Hashtable中，这个过程是比较消耗时间的。
- Hashtable的索引求值公式是： hash&0x7FFFFFFF%newCapacity。hash&0x7FFFFFF是为了保证正数，因为hashCode的值有可能为负值。
get方法
public synchronized V get(Object key) {
Entry<?,?> tab[] = table;
int hash = key.hashCode();
// 根据key哈希得到index，遍历链表取值
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
for (Entry<?,?> e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) {
if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {
return (V)e.value;
}
}
return null;
}
remove方法
public synchronized V remove(Object key) {
Entry<?,?> tab[] = table;
int hash = key.hashCode();
// 获取key对应的index
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
@SuppressWarnings("unchecked")
// 遍历链表，如果找到key相等的节点，则改变前继和后继节点的关系，并删除相应引用，让GC回收
Entry<K,V> e = (Entry<K,V>)tab[index];
for(Entry<K,V> prev = null ; e != null ; prev = e, e = e.next) {
if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {
modCount++;
if (prev != null) {
prev.next = e.next;
} else {
tab[index] = e.next;
}
count--;
V oldValue = e.value;
e.value = null;
return oldValue;
}
}
return null;
}
总结
本文主要讲解了Hashtable的基本功能和源码解析，虽然Hashtable本身不常用了，但是它的直接子类Properties目前还在被大量使用当中，所以学习它还是有一定价值的。下面在总结下Hashtable和HashMap的区别：
- 线程是否安全：HashMap是线程不安全的，HashTable是线程安全的；HashTable内部的方法基本都经过 synchronized修饰; 如果想要线程安全的Map容器建议使用ConcurrentHashMap,性能更好。
- 对Null key 和Null value的支持：HashMap中，null可以作为键，这样的键只有一个，可以有一个或多个键所对应的值为null；HashTable中key和value都不能为null，否则抛出空指针异常；
- 初始容量大小和每次扩充容量大小的不同：
- 创建时如果不指定容量初始值，Hashtable默认的初始大小为11，之后每次扩容，容量变为原来的2n+1。HashMap默认的初始化大小为16。之后每次扩充，容量变为原来的2倍；
- 创建时如果给定了容量初始值，那么Hashtable会直接使用你给定的大小，而HashMap会将其扩充 为2的幂次方大小。
- 底层数据结构：JDK1.8及以后的HashMap在解决哈希冲突时有了较大的变化，当链表长度大于阈值（默认为 8）时，将链表转化为红黑树，以减少搜索时间，Hashtable没有这样的机制。
