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HashMap,HashTable,ConcurrentHashmap區別和原理

HashTable

  • 底層陣列+連結串列實現,無論key還是value都不能為null執行緒安全,實現執行緒安全的方式是在修改資料時鎖住整個HashTable,效率低,ConcurrentHashMap做了相關優化
  • 初始size為11,擴容:newsize = olesize*2+1
  • 計算index的方法:index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length

HashMap

  • 底層陣列+連結串列實現,可以儲存null鍵和null值執行緒不安全
  • 初始size為16,擴容:newsize = oldsize*2,size一定為2的n次冪 擴容針對整個Map,每次擴容時,原來陣列中的元素依次重新計算存放位置,並重新插入
  • 插入元素後才判斷該不該擴容,有可能無效擴容(插入後如果擴容,如果沒有再次插入,就會產生無效擴容)
  • 當Map中元素總數超過Entry陣列的75%,觸發擴容操作,為了減少連結串列長度,元素分配更均勻
  • 計算index方法:index = hash & (tab.length – 1)

HashMap的初始值還要考慮載入因子:

  • 雜湊衝突:若干Key的雜湊值按陣列大小取模後,如果落在同一個陣列下標上,將組成一條Entry鏈,對Key的查詢需要遍歷Entry鏈上的每個元素執行equals()比較。
  • 載入因子:為了降低雜湊衝突的概率,預設當HashMap中的鍵值對達到陣列大小的75%時,即會觸發擴容。因此,如果預估容量是100,即需要設定100/0.75=134的陣列大小。
  • 空間換時間:如果希望加快Key查詢的時間,還可以進一步降低載入因子,加大初始大小,以降低雜湊衝突的概率。

HashMap和Hashtable都是用hash演算法來決定其元素的儲存,因此HashMap和Hashtable的hash表包含如下屬性

  • 容量(capacity):hash表中桶的數量
  • 初始化容量(initial capacity):建立hash表時桶的數量,HashMap允許在構造器中指定初始化容量
  • 尺寸(size):當前hash表中記錄的數量
  • 負載因子(load factor):負載因子等於“size/capacity”。負載因子為0,表示空的hash表,0.5表示半滿的散列表,依此類推。輕負載的散列表具有衝突少、適宜插入與查詢的特點(但是使用Iterator迭代元素時比較慢)

除此之外,hash表裡還有一個“負載極限”,“負載極限”是一個0~1的數值,“負載極限”決定了hash表的最大填滿程度。當hash表中的負載因子達到指定的“負載極限”時,hash表會自動成倍地增加容量(桶的數量),並將原有的物件重新分配,放入新的桶內,這稱為rehashing。

HashMap和Hashtable的構造器允許指定一個負載極限,HashMap和Hashtable預設的“負載極限”為0.75,這表明當該hash表的3/4已經被填滿時,hash表會發生rehashing。

“負載極限”的預設值(0.75)是時間和空間成本上的一種折中:

  • 較高的“負載極限”可以降低hash表所佔用的記憶體空間,但會增加查詢資料的時間開銷,而查詢是最頻繁的操作(HashMap的get()與put()方法都要用到查詢)
  • 較低的“負載極限”會提高查詢資料的效能,但會增加hash表所佔用的記憶體開銷 程式猿可以根據實際情況來調整“負載極限”值。

ConcurrentHashMap

  • 底層採用分段的陣列+連結串列實現,執行緒安全
  • 通過把整個Map分為N個Segment,可以提供相同的執行緒安全,但是效率提升N倍,預設提升16倍。(讀操作不加鎖,由於HashEntry的value變數是 volatile的,也能保證讀取到最新的值。)
  • Hashtable的synchronized是針對整張Hash表的,即每次鎖住整張表讓執行緒獨佔,ConcurrentHashMap允許多個修改操作併發進行,其關鍵在於使用了鎖分離技術
  • 有些方法需要跨段,比如size()和containsValue(),它們可能需要鎖定整個表而而不僅僅是某個段,這需要按順序鎖定所有段,操作完畢後,又按順序釋放所有段的鎖
  • 擴容:段內擴容(段內元素超過該段對應Entry陣列長度的75%觸發擴容,不會對整個Map進行擴容),插入前檢測需不需要擴容,有效避免無效擴容

Hashtable和HashMap都實現了Map介面,但是Hashtable的實現是基於Dictionary抽象類的。Java5提供了ConcurrentHashMap,它是HashTable的替代,比HashTable的擴充套件性更好。

HashMap基於雜湊思想,實現對資料的讀寫。當我們將鍵值對傳遞給put()方法時,它呼叫鍵物件的hashCode()方法來計算hashcode,然後找到bucket位置來儲存值物件。當獲取物件時,通過鍵物件的equals()方法找到正確的鍵值對,然後返回值物件。HashMap使用連結串列來解決碰撞問題,當發生碰撞時,物件將會儲存在連結串列的下一個節點中。HashMap在每個連結串列節點中儲存鍵值對物件。當兩個不同的鍵物件的hashcode相同時,它們會儲存在同一個bucket位置的連結串列中,可通過鍵物件的equals()方法來找到鍵值對。如果連結串列大小超過閾值(TREEIFY_THRESHOLD,8),連結串列就會被改造為樹形結構。

在HashMap中,null可以作為鍵,這樣的鍵只有一個,但可以有一個或多個鍵所對應的值為null。當get()方法返回null值時,即可以表示HashMap中沒有該key,也可以表示該key所對應的value為null。因此,在HashMap中不能由get()方法來判斷HashMap中是否存在某個key,應該用containsKey()方法來判斷。而在Hashtable中,無論是key還是value都不能為null。

Hashtable是執行緒安全的,它的方法是同步的,可以直接用在多執行緒環境中。而HashMap則不是執行緒安全的,在多執行緒環境中,需要手動實現同步機制。

Hashtable與HashMap另一個區別是HashMap的迭代器(Iterator)是fail-fast迭代器,而Hashtable的enumerator迭代器不是fail-fast的。所以當有其它執行緒改變了HashMap的結構(增加或者移除元素),將會丟擲ConcurrentModificationException,但迭代器本身的remove()方法移除元素則不會丟擲ConcurrentModificationException異常。但這並不是一個一定發生的行為,要看JVM。 先看一下簡單的類圖: 在這裡插入圖片描述

從類圖中可以看出來在儲存結構中ConcurrentHashMap比HashMap多出了一個類Segment,而Segment是一個可重入鎖。

ConcurrentHashMap是使用了鎖分段技術來保證執行緒安全的。

鎖分段技術:首先將資料分成一段一段的儲存,然後給每一段資料配一把鎖,當一個執行緒佔用鎖訪問其中一個段資料的時候,其他段的資料也能被其他執行緒訪問。

ConcurrentHashMap提供了與Hashtable和SynchronizedMap不同的鎖機制。Hashtable中採用的鎖機制是一次鎖住整個hash表,從而在同一時刻只能由一個執行緒對其進行操作;而ConcurrentHashMap中則是一次鎖住一個桶。

ConcurrentHashMap預設將hash表分為16個桶,諸如get、put、remove等常用操作只鎖住當前需要用到的桶。這樣,原來只能一個執行緒進入,現在卻能同時有16個寫執行緒執行,併發效能的提升是顯而易見的。