【集合系列】- 深入淺出的分析 Hashtable
一、摘要
在集合系列的第一章，咱們瞭解到，Map 的實現類有 HashMap、LinkedHashMap、TreeMap、IdentityHashMap、WeakHashMap、Hashtable、Properties 等等。
本文主要從資料結構和演算法層面，探討 Hashtable 的實現，如果有理解不當之處，歡迎指正。
二、簡介
Hashtable 一個元老級的集合類，早在 JDK 1.0 就誕生了，而 HashMap 誕生於 JDK 1.2，在實現上，HashMap 吸收了很多 Hashtable 的思想，雖然二者的底層資料結構都是 陣列 + 連結串列 結構，具有查詢、插入、刪除快的特點，但是二者又有很多的不同。
開啟 Hashtable 的原始碼可以看到，Hashtable 繼承自 Dictionary，而 HashMap 繼承自 AbstractMap。
public class Hashtable<K,V>
extends Dictionary<K,V>
implements Map<K,V>, Cloneable, java.io.Serializable {
.....
}HashMap 繼承自 AbstractMap，HashMap 類的定義如下：
public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable { ..... }
其中 Dictionary 類是一個已經被廢棄的類，翻譯過來的意思是這個類已經過時，新的實現應該實現 Map 介面而不是擴充套件此類，這一點我們可以從它程式碼的註釋中可以看到：
/** * <strong>NOTE: This class is obsolete. New implementations should * implement the Map interface, rather than extending this class.</strong> */ public abstract class Dictionary<K,V> { ...... }
Hashtable 和 HashMap 的底層是以陣列來儲存，同時，在儲存資料通過key計算陣列下標的時候，是以雜湊演算法為主，因此可能會產生雜湊衝突的可能性。
通俗的說呢，就是不同的key，在計算的時候，可能會產生相同的陣列下標，這個時候，如何將兩個物件放入一個數組中呢？
而解決雜湊衝突的辦法，有兩種，一種開放地址方式（當發生 hash 衝突時，就繼續以此繼續尋找，直到找到沒有衝突的hash值），另一種是拉鍊方式（將衝突的元素放入連結串列）。
Java Hashtable 採用的就是第二種方式，拉鍊法！
於是，當發生不同的key通過一系列的雜湊演算法計算獲取到相同的陣列下標的時候，會將物件放入一個數組容器中，然後將物件以單向連結串列的形式儲存在同一個陣列下標容器中，就像鏈子一樣，掛在某個節點上，如下圖：
與 HashMap 類似，Hashtable 也包括五個成員變數：
/**由Entry物件組成的陣列*/
private transient Entry[] table;
/**Hashtable中Entry物件的個數*/
private transient int count;
/**Hashtable進行擴容的閾值*/
private int threshold;
/**負載因子，預設0.75*/
private float loadFactor;
/**記錄修改的次數*/
private transient int modCount = 0;具體各個變數含義如下：
- table：表示一個由 Entry 物件組成的連結串列陣列，Entry 是一個單向連結串列，雜湊表的
key-value鍵值對都是儲存在 Entry 陣列中的; - count：表示 Hashtable 的大小，用於記錄儲存的鍵值對的數量;
- threshold：表示 Hashtable 的閾值，用於判斷是否需要調整 Hashtable 的容量，threshold 等於
容量 * 載入因子; - loadFactor：表示負載因子，預設為 0.75；
- modCount：表示記錄 Hashtable 修改的次數，用來實現快速失敗拋異常處理；
接著來看看Entry這個內部類，Entry用於儲存連結串列資料，實現了Map.Entry介面，本質是就是一個對映（鍵值對），原始碼如下：
private static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
/**hash值*/
final int hash;
/**key表示鍵*/
final K key;
/**value表示值*/
V value;
/**節點下一個元素*/
Entry<K,V> next;
......
}我們再接著來看看 Hashtable 初始化過程，核心原始碼如下：
public Hashtable() {
this(11, 0.75f);
}this 呼叫了自己的構造方法，核心原始碼如下：
public Hashtable(int initialCapacity, float loadFactor) {
.....
//預設的初始大小為 11
//並且計算擴容的閾值
this.loadFactor = loadFactor;
table = new Entry<?,?>[initialCapacity];
threshold = (int)Math.min(initialCapacity * loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE + 1);
}可以看到 HashTable 預設的初始大小為 11，如果在初始化給定容量大小，那麼 HashTable 會直接使用你給定的大小；
擴容的閾值threshold等於initialCapacity * loadFactor，我們在來看看 HashTable 擴容，方法如下：
protected void rehash() {
int oldCapacity = table.length;
//將舊陣列長度進行位運算，然後 +1
//等同於每次擴容為原來的 2n+1
int newCapacity = (oldCapacity << 1) + 1;
//省略部分程式碼......
Entry<?,?>[] newMap = new Entry<?,?>[newCapacity];
}可以看到，HashTable 每次擴充為原來的 2n+1。
我們再來看看 HashMap，如果是執行預設構造方法，會在擴容那一步，進行初始化大小，核心原始碼如下：
final Node<K,V>[] resize() {
int newCap = 0;
//部分程式碼省略......
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;//預設容量為 16
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
}可以看出 HashMap 的預設初始化大小為 16，我們再來看看，HashMap 擴容方法，核心原始碼如下：
final Node<K,V>[] resize() {
//獲取舊陣列的長度
Node<K,V>[] oldTab = table;
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
int newCap = 0;
//部分程式碼省略......
//當進行擴容的時候，容量為 2 的倍數
newCap = oldCap << 1;
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
}可以看出 HashMap 的擴容後的陣列數量為原來的 2 倍；
也就是說 HashTable 會盡量使用素數、奇數來做陣列的容量，而 HashMap 則總是使用 2 的冪作為陣列的容量。
我們知道當雜湊表的大小為素數時，簡單的取模雜湊的結果會更加均勻，所以單從這一點上看，HashTable 的雜湊表大小選擇，似乎更高明些。
Hashtable 的 hash 演算法，核心程式碼如下：
//直接計算key.hashCode()
int hash = key.hashCode();
//通過除法取餘計算陣列存放下標
// 0x7FFFFFFF 是最大的 int 型數的二進位制表示
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;從原始碼部分可以看出，HashTable 的 key 不能為空，否則報空指標錯誤！
但另一方面我們又知道，在取模計算時，如果模數是 2 的冪，那麼我們可以直接使用位運算來得到結果，效率要大大高於做除法。所以在 hash 計算陣列下標的效率上，HashMap 卻更勝一籌，但是這也會引入了雜湊分佈不均勻的問題， HashMap 為解決這問題，又對 hash 演算法做了一些改動，具體我們來看看。
HashMap 的 hash 演算法，核心程式碼如下：
/**獲取hash值方法*/
static final int hash(Object key) {
int h;
// h = key.hashCode() 為第一步 取hashCode值（jdk1.7）
// h ^ (h >>> 16) 為第二步 高位參與運算（jdk1.7）
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);//jdk1.8
}
/**獲取陣列下標方法*/
static int indexFor(int h, int length) {
//jdk1.7的原始碼，jdk1.8沒有這個方法，但是實現原理一樣的
return h & (length-1); //第三步 取模運算
}HashMap 由於使用了2的冪次方，所以在取模運算時不需要做除法，只需要位的與運算就可以了。但是由於引入的 hash 衝突加劇問題，HashMap 在呼叫了物件的 hashCode 方法之後，又做了一些高位運算，也就是第二步方法，來打散資料，讓雜湊的結果更加均勻。
與此同時，在 jdk1.8 中 HashMap 還引進來紅黑樹實現，當衝突連結串列長度大於 8 的時候，會將連結串列結構改變成紅黑樹結構，讓查詢變得更快，具體實現可以參見《集合系列》中的 HashMap 分析。
三、常用方法介紹
3.1、put方法
put 方法是將指定的 key, value 對新增到 map 裡。
put 流程圖如下：
開啟 HashTable 的 put 方法，原始碼如下：
public synchronized V put(K key, V value) {
//當 value 值為空的時候，拋異常！
if (value == null) {
throw new NullPointerException();
}
Entry<?,?> tab[] = table;
//通過key 計算儲存下標
int hash = key.hashCode();
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
//迴圈遍歷陣列連結串列
//如果有相同的key並且hash相同，進行覆蓋處理
Entry<K,V> entry = (Entry<K,V>)tab[index];
for(; entry != null ; entry = entry.next) {
if ((entry.hash == hash) && entry.key.equals(key)) {
V old = entry.value;
entry.value = value;
return old;
}
}
//加入陣列連結串列中
addEntry(hash, key, value, index);
return null;
}put 方法中的 addEntry 方法，原始碼如下：
private void addEntry(int hash, K key, V value, int index) {
//新增修改次數
modCount++;
Entry<?,?> tab[] = table;
if (count >= threshold) {
//陣列容量大於擴容閥值，進行擴容
rehash();
tab = table;
//重新計算物件儲存下標
hash = key.hashCode();
index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
}
//將物件儲存在陣列中
Entry<K,V> e = (Entry<K,V>) tab[index];
tab[index] = new Entry<>(hash, key, value, e);
count++;
}addEntry 方法中的 rehash 方法，原始碼如下：
protected void rehash() {
int oldCapacity = table.length;
Entry<?,?>[] oldMap = table;
//每次擴容為原來的 2n+1
int newCapacity = (oldCapacity << 1) + 1;
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0) {
if (oldCapacity == MAX_ARRAY_SIZE)
//大於最大閥值，不再擴容
return;
newCapacity = MAX_ARRAY_SIZE;
}
Entry<?,?>[] newMap = new Entry<?,?>[newCapacity];
modCount++;
//重新計算擴容閥值
threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE + 1);
table = newMap;
//將舊陣列中的資料複製到新陣列中
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;
}
}
}總結流程如下：
- 1、通過 key 計算物件儲存在陣列中的下標；
- 2、如果連結串列中有 key，直接進行新舊值覆蓋處理；
- 3、如果連結串列中沒有 key，判斷是否需要擴容，如果需要擴容，先擴容，再插入資料；
有一個值得注意的地方是 put 方法加了synchronized關鍵字，所以，在同步操作的時候，是執行緒安全的。
3.2、get方法
get 方法根據指定的 key 值返回對應的 value。
get 流程圖如下：
開啟 HashTable 的 get 方法，原始碼如下：
public synchronized V get(Object key) {
Entry<?,?> tab[] = table;
//通過key計算節點儲存下標
int hash = key.hashCode();
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;
}同樣，有一個值得注意的地方是 get 方法加了synchronized關鍵字，所以，在同步操作的時候，是執行緒安全的。
3.3、remove方法
remove 的作用是通過 key 刪除對應的元素。
remove 流程圖如下：
開啟 HashTable 的 remove 方法，原始碼如下：
public synchronized V remove(Object key) {
Entry<?,?> tab[] = table;
//通過key計算節點儲存下標
int hash = key.hashCode();
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
Entry<K,V> e = (Entry<K,V>)tab[index];
//迴圈遍歷連結串列，通過hash和key判斷鍵是否存在
//如果存在，直接將改節點設定為空，並從連結串列上移除
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;
}同樣，有一個值得注意的地方是 remove 方法加了synchronized關鍵字，所以，在同步操作的時候，是執行緒安全的。
四、總結
總結一下 Hashtable 與 HashMap 的聯絡與區別，內容如下：
- 1、雖然 HashMap 和 Hashtable 都實現了 Map 介面，但 Hashtable 繼承於 Dictionary 類，而 HashMap 是繼承於 AbstractMap；
- 2、HashMap 可以允許存在一個為 null 的 key 和任意個為 null 的 value，但是 HashTable 中的 key 和 value 都不允許為 null；
- 3、Hashtable 的方法是同步的，因為在方法上加了 synchronized 同步鎖，而 HashMap 是非執行緒安全的；
儘管，Hashtable 雖然是執行緒安全的，但是我們一般不推薦使用它，因為有比它更高效、更好的選擇 ConcurrentHashMap，在後面我們也會講到它。
最後，引入來自 HashTable 的註釋描述：
If a thread-safe implementation is not needed, it is recommended to use HashMap in place of Hashtable. If a thread-safe highly-concurrent implementation is desired, then it is recommended to use java.util.concurrent.ConcurrentHashMap in place of Hashtable.
簡單來說就是，如果你不需要執行緒安全，那麼使用 HashMap，如果需要執行緒安全，那麼使用 ConcurrentHashMap。
HashTable 已經被淘汰了，不要在新的程式碼中再使用它。
五、參考
1、JDK1.7&JDK1.8 原始碼
2、部落格園 - 程式設計師趙鑫 - HashMap和HashTable到底哪不同？
作者：炸雞可樂
出處：www.pzblog.cn