Java Hashtable机制深入了解

猪小侠源码 Java教程

2023-05-16 0 3,378

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 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;
}

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。

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