Java基础之HashTable与ConcurrentHashMap解析

2021-07-10 08:23:42

HashTable和HashMap的区别

在面试的过程中，经常会被问到HashTable和HashMap的区别，下面就这些区别做一个简单的总结。

1、继承的父类不同

Hashtable继承自Dictionary类，而HashMap继承自AbstractMap类，但二者都实现了Map接口。

2、线程安全性不同

Hashtable 中的方法是Synchronized的，而HashMap中的方法在缺省情况下是非Synchronized的。在多线程并发的环境下，可以直接使用Hashtable，不需要自己为它的方法实现同步，但使用HashMap时就必须要自己增加同步处理。

总结一句话：Hashtable（1.0版本）不建议在新代码中使用，不需要线程安全的场合可以用HashMap替换，需要线程安全的场合可以用ConcurrentHashMap替换。

3、是否提供contains方法

HashMap把Hashtable的contains方法去掉了，改成containsValue和containsKey，因为contains方法容易让人引起误解。
Hashtable则保留了contains，containsValue和containsKey三个方法，其中contains和containsValue功能相同。

4、key和value是否允许null值

Hashtable中，key和value都不允许出现null值。但是如果在Hashtable中有类似put(null,null)的操作，编译同样可以通过，因为key和value都是Object类型，但运行时会抛出NullPointerException异常。

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。当get()方法返回null值时，可能是 HashMap中没有该键，也可能使该键所对应的值为null。因此，在HashMap中不能由get()方法来判断HashMap中是否存在某个键， 而应该用containsKey()方法来判断。

5、遍历的内部实现方式不同

Hashtable、HashMap都使用了 Iterator。但由于历史原因，Hashtable还使用了Enumeration的方式 。

6，数组初始化和扩容方式不同

HashTable在不指定容量的情况下的默认容量为11，而HashMap为16，Hashtable不要求底层数组的容量一定要为2的整数次幂，而HashMap则要求一定为2的整数次幂。
具体扩容时，Hashtable将容量变为原来的2倍加1，而HashMap扩容时，将容量变为原来的2倍。

HashTable

由于HashTable的性能问题，在实际编程中HashTable并不是很常见，更多的是使用HashMap或ConcurrentHashMap。

简单来说，HashTable是一个线程安全的哈希表，它通过使用synchronized关键字来对方法进行加锁，从而保证了线程安全。但这也导致了在单线程环境中效率低下等问题。

HashTable存储模型

HashTable保存数据是和HashMap是相同的，使用的也是Entry对象。HashTable类继承自Dictionary类，实现了Map，Cloneable和java.io.Serializable三个接口，其UML图如下图所示。
Java基础之HashTable与ConcurrentHashMap解析

HashTable的功能与与HashMap中的功能相同，主要有：put，get，remove和rehash等。

HashTable的主要方法的源码实现逻辑与HashMap中非常相似，有一点重大区别就是所有的操作都是通过synchronized锁保护的。也就是说，只有获得了对应的锁，才能进行后续的读写等操作。

下面就HashTable常见的方法给大家做一个简单的解析。

构造方法

HashTable的构造方法源码如下：

public Hashtable(int initialCapacity, float loadFactor) {
    if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                               initialCapacity);
    if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Load: "+loadFactor);

    if (initialCapacity==0)
        initialCapacity = 1;
    this.loadFactor = loadFactor;
    table = new Entry<?,?>[initialCapacity];
    threshold = (int)Math.min(initialCapacity * loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE + 1);
}

public Hashtable(int initialCapacity) {
    this(initialCapacity, 0.75f);
}

public Hashtable() {
    this(11, 0.75f);
}

从构造函数中可以得到如下的信息：HashTable默认的初始化容量为11（与HashMap不同，HashMap是16），负载因子默认为0.75（与HashMap相同）。而正因为默认初始化容量的不同，同时也没有对容量做调整的策略，所以可以先推断出，HashTable使用的哈希函数跟HashMap是不一样的。

put

put方法的主要逻辑如下：

  1. 先获取synchronized锁；
  2. put方法不允许null值，如果发现是null，则直接抛出异常；
  3. 计算key的哈希值和index；
  4. 遍历对应位置的链表，如果发现已经存在相同的hash和key，则更新value，并返回旧值；
  5. 如果不存在相同的key的Entry节点，则调用addEntry方法增加节点；
  6. addEntry方法中，如果需要则进行扩容，之后添加新节点到链表头部。

Put方法的源码如下：

public synchronized V put(K key, V value) {
    // Make sure the value is not null
    if (value == null) {
        throw new NullPointerException();
    }

    // Makes sure the key is not already in the hashtable.
    Entry<?,?> tab[] = table;
    int hash = key.hashCode();
    //计算桶的位置
    int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
    @SuppressWarnings("unchecked")
    Entry<K,V> entry = (Entry<K,V>)tab[index];
    //遍历桶中的元素，判断是否存在相同的key
    for(; entry != null ; entry = entry.next) {
        if ((entry.hash == hash) && entry.key.equals(key)) {
            V old = entry.value;
            entry.value = value;
            return old;
        }
    }

    //不存在相同的key，则把该key插入到桶中
    addEntry(hash, key, value, index);
    return null;
}

涉及的Entry对象的源码如下：

private void addEntry(int hash, K key, V value, int index) {
    modCount++;

    Entry<?,?> tab[] = table;
    //哈希表的键值对个数达到了阈值，则进行扩容
    if (count >= threshold) {
        // Rehash the table if the threshold is exceeded
        rehash();

        tab = table;
        hash = key.hashCode();
        index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
    }

    // Creates the new entry.
    @SuppressWarnings("unchecked")
    Entry<K,V> e = (Entry<K,V>) tab[index];
    //把新节点插入桶中（头插法）
    tab[index] = new Entry<>(hash, key, value, e);
    count++;
}

从上面的源码可以看到，put方法一开始就会进行值的null值检测，同时，HashTable的put方法也是使用synchronized来修饰。你可以发现，在HashTable中，几乎所有的方法都使用了synchronized来保证线程安全。

get

get方法的主要逻辑如下：

  1. 先获取synchronized锁；
  2. 计算key的哈希值和index；
  3. 在对应位置的链表中寻找具有相同hash和key的节点，返回节点的value；
  4. 如果遍历结束都没有找到节点，则返回null。

get函数的源码如下：

public synchronized V get(Object key) {
    Entry<?,?> tab[] = table;
    int hash = key.hashCode();
    //通过哈希函数，计算出key对应的桶的位置
    int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
    //遍历该桶的所有元素，寻找该key
    for (Entry<?,?> e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) {
        if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {
            return (V)e.value;
        }
    }
    return null;
}

从上面的代码可以发现，get方法使用了synchronized来修饰，以保证线程的安全，并且它是通过链表的方式来处理冲突的。另外，我们还可以看见HashTable并没有像HashMap那样封装一个哈希函数，而是直接把哈希函数写在了方法中。

rehash扩容

rehash扩容方法主要逻辑如下：
数组长度增加一倍（如果超过上限，则设置成上限值）；
更新哈希表的扩容门限值；
遍历旧表中的节点，计算在新表中的index，插入到对应位置链表的头部。

rehash方法的源码如下：

protected void rehash() {
    int oldCapacity = table.length;
    Entry<?,?>[] oldMap = table;

    //扩容扩为原来的两倍+1
    int newCapacity = (oldCapacity << 1) + 1;
    //判断是否超过最大容量
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0) {
        if (oldCapacity == MAX_ARRAY_SIZE)
            // Keep running with MAX_ARRAY_SIZE buckets
            return;
        newCapacity = MAX_ARRAY_SIZE;
    }
    Entry<?,?>[] newMap = new Entry<?,?>[newCapacity];

    modCount++;
    //计算下一次rehash的阈值
    threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE + 1);
    table = newMap;

    //把旧哈希表的键值对重新哈希到新哈希表中去
    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;
        }
    }
}

HashTable的rehash方法相当于HashMap的resize方法。跟HashMap那种巧妙的rehash方式相比，HashTable的rehash过程需要对每个键值对都重新计算哈希值，而比起异或和与操作，取模是一个非常耗时的操作。这也是HashTable比HashMap低效的原因之一。

remove

remove方法主要逻辑如下：

  • 先获取synchronized锁；
  • 计算key的哈希值和index；
  • 遍历对应位置的链表，寻找待删除节点，如果存在，用e表示待删除节点，pre表示前驱节点。如果不存在，返回null；
  • 更新前驱节点的next，指向e的next。返回待删除节点的value值。

remove函数的源码如下：

public synchronized V remove(Object key) {
    Entry<?,?> tab[] = table;
    int hash = key.hashCode();
    int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
    @SuppressWarnings("unchecked")
    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;
}

ConcurrentHashMap

HashMap是我们平时开发过程中使用的比较多的集合，但它是非线程安全的，在涉及到多线程并发的情况，进行get操作有可能会引起死循环，导致CPU利用率接近100%。例如：

final HashMap<String, String> map = new HashMap<String, String>(2);
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
    new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            map.put(UUID.randomUUID().toString(), "");
        }
    }).start();
}

但是解决方法也有很多，如Hashtable和Collections.synchronizedMap(hashMap)，不过这两个方案基本上是对读写进行加锁操作，一个线程在读写元素，其余线程必须等待，性能可想而知。此时，可以使用ConcurrentHashMap来解决。

JDK 1.7 ConcurrentHashMap实现

和HashMap不同，ConcurrentHashMap采用分段锁的机制，实现并发的更新操作，底层采用数组+链表的存储结构。ConcurrentHashMap最核心的两个核心静态内部类包括：Segment和HashEntry。

理解ConcurrentHashMap需要注意如下几个概念：

  1. Segment继承ReentrantLock用来充当锁的角色，每个 Segment 对象守护每个散列映射表的若干个桶；
  2. HashEntry 用来封装映射表的键 / 值对；
  3. 每个桶是由若干个 HashEntry 对象链接起来的链表。

一个 ConcurrentHashMap 实例中包含由若干个 Segment 对象组成的数组，其数据结构如下：
Java基础之HashTable与ConcurrentHashMap解析

JDK1.8 ConcurrentHashMap实现

1.8的实现已经抛弃了Segment分段锁机制，而是采用CAS+Synchronized来保证并发更新的安全，底层采用数组+链表+红黑树的存储结构。而HashMap在1.8版本中也对存储结构进行了优化，采用数组+链表+红黑树的方式进行数据存储，红黑树可以有效的平衡二叉树，带来插入、查找性能上的提升。

ConcurrentHashMap在1.8版本的数据存储结构如下图：
Java基础之HashTable与ConcurrentHashMap解析

初始化

只有在第一次执行put方法时才会调用initTable()初始化Node数组，该方法的源码如下：

private final Node<K,V>[] initTable() {
    Node<K,V>[] tab; int sc;
    while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
        if ((sc = sizeCtl) < 0)
            Thread.yield(); // lost initialization race; just spin
        else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
            try {
                if ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
                    int n = (sc > 0) ? sc : DEFAULT_CAPACITY;
                    @SuppressWarnings("unchecked")
                    Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n];
                    table = tab = nt;
                    sc = n - (n >>> 2);
                }
            } finally {
                sizeCtl = sc;
            }
            break;
        }
    }
    return tab;
}

sizeCtl默认为0，如果ConcurrentHashMap实例化时有传参数，sizeCtl会是一个2的幂次方的值。所以执行第一次put操作的线程会执行Unsafe.compareAndSwapInt方法修改sizeCtl为-1，有且只有一个线程能够修改成功，其它线程通过Thread.yield()让出CPU时间片等待table初始化完成。

关于具体的的一些put、get、table扩容等操作，大家可以自行搜索相关的资料。

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