Java HashMap 和 Hashtable

原创已于 2025-11-27 20:25:37 修改 · 423 阅读

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#java #哈希算法 #散列表 #开发语言 #开源软件 #算法

于 2025-11-27 20:25:23 首次发布

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在 Java 中，HashMap 和 Hashtable 都是 Map 接口的实现类，用于存储键值对（key-value）数据（key 唯一、value 可重复），但二者在 线程安全、null 值支持、底层实现、性能 等核心维度差异显著。以下是详细解析：

一、核心概述

两者本质都是 “哈希表”，通过哈希函数将 key 映射到数组索引，解决哈希冲突（链表 / 红黑树）。
Hashtable 是 JDK 1.0 推出的 遗留类，设计偏老旧；HashMap 是 JDK 1.2 引入的 Collections Framework 核心类，专为高效性设计，是目前开发中最常用的 Map 实现。

二、核心区别（重点）

1. 线程安全与并发性能

特性	`Hashtable`	`HashMap`
线程安全	是（线程安全）	否（非线程安全）
实现方式	所有方法加 `synchronized` 锁（全局锁）	无锁设计（默认非线程安全）
并发性能	极低（多线程竞争同一把锁，阻塞严重）	高（无锁 overhead，单线程效率极高）

补充：若需线程安全的 HashMap，可使用 Collections.synchronizedMap(new HashMap<>())（本质也是全局锁，效率和 Hashtable 接近），更推荐用 ConcurrentHashMap（JDK 1.8+ 用 CAS + 分段锁，并发性能远超 Hashtable）。

2. null 值支持

这是开发中最易踩坑的区别：

HashMap：允许 1 个 null key（key 唯一）和多个 null value。

HashMap<String, String> map = new HashMap<>();
map.put(null, "a"); // 合法
map.put(null, "b"); // 覆盖前一个 null key 的值（最终 null → "b"）
map.put("c", null); // 合法
map.put("
        d", null); // 合法（多个 null value）

Hashtable：禁止 null key 和 null value，否则直接抛出 NullPointerException。

Hashtable<String, String> table = new Hashtable<>();
table.put(null, "a"); // 抛 NPE
table.put("b", null); // 抛 NPE

3. 底层数据结构

HashMap （JDK 1.8+）：数组 + 链表 + 红黑树（优化哈希冲突）
- 数组（哈希桶）是核心，每个元素是链表的头节点；
- 当链表长度 > 8 且数组容量 ≥ 64 时，链表转为红黑树（查询时间复杂度从 O (n) 降为 O (log n)）；
- 当红黑树节点数 < 6 时，转回链表（节省空间）。
Hashtable：始终是数组 + 链表（无红黑树优化）
- 哈希冲突时仅用链表解决，当数据量大时，链表过长会导致查询效率急剧下降（O (n)）。

4. 初始容量与扩容机制

哈希表的 “容量” 是数组的长度，“负载因子”（默认 0.75）是扩容阈值的比例（容量 × 负载因子），当元素个数超过阈值时触发扩容。

特性	`Hashtable`	`HashMap`
初始容量	11	16（必须是 2 的幂）
扩容规则	新容量 = 旧容量 × 2 + 1	新容量 = 旧容量 × 2（保持 2 的幂）
负载因子	默认 0.75（可通过构造器修改）	默认 0.75（可通过构造器修改）

关键：HashMap 容量为 2 的幂，是为了用 位运算（&）替代取模（%） 计算哈希索引（index = hash & (capacity - 1)），效率更高（位运算比取模快）；而 Hashtable 用取模计算索引（index = (hash & 0x7FFFFFFF) % capacity），效率较低。

5. 哈希计算方式

Hashtable ：直接使用 key 的hashCode() 作为哈希值，无二次处理：

int hash = key.hashCode();
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % capacity; // 取模确保索引非负

HashMap ：对 key 的hashCode() 进行二次哈希（hash() 方法），减少哈希冲突：

static final int hash(Object key) {
    int h;
    // key 为 null 时 hash 为 0，否则二次哈希（高位参与运算）
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
int index = hash & (capacity - 1); // 位运算求索引

二次哈希的目的是让 key 的高位哈希值也参与索引计算，降低不同 key 映射到同一索引的概率。

6. 迭代器特性（fail-fast vs 非 fail-fast）

HashMap：迭代器（Iterator ）是 fail-fast（快速失败）的：
- 迭代过程中，若通过非迭代器方法（如 put、remove）修改集合，会立即抛出 ConcurrentModificationException（并发修改异常）；
- 原理：迭代器维护一个 modCount（修改次数），每次迭代时检查 modCount 是否变化。
Hashtable ：枚举器（Enumerator ）是非 fail-fast 的：
- 迭代过程中修改集合（如 put、remove）不会抛出异常，但迭代器本身不支持 remove() 方法（调用会抛 UnsupportedOperationException）；
- 注意：Hashtable 也提供 Iterator 迭代器（兼容 Collections Framework），其 Iterator 同样是 fail-fast 的，仅原生 Enumerator 是非 fail-fast。

7. 继承关系与设计定位

Hashtable：继承自 Dictionary 类（已废弃的抽象类），同时实现 Map 接口，设计上存在历史包袱。
HashMap：直接实现 Map 接口，遵循 Collections Framework 规范，设计更简洁，功能更灵活（如支持 forEach、compute 等 JDK 8+ 新方法）。

三、完整对比表格

对比维度	`Hashtable`	`HashMap`
线程安全	是（synchronized 全局锁）	否（默认非线程安全）
null 支持	禁止 key/value 为 null（抛 NPE）	允许 1 个 null key + 多个 null value
底层结构	数组 + 链表（无红黑树）	数组 + 链表 + 红黑树（JDK 1.8+）
初始容量	11	16（2 的幂）
扩容规则	2n + 1	2n（保持 2 的幂）
哈希计算	直接用 hashCode () + 取模	二次哈希（hash ()） + 位运算
迭代器	Enumerator（非 fail-fast）、Iterator（fail-fast）	Iterator（fail-fast）
效率	低（全局锁 + 链表查询慢）	高（无锁 + 红黑树优化）
设计定位	JDK 1.0 遗留类	JDK 1.2+ 主流 Map 实现
推荐场景	几乎不用（被 ConcurrentHashMap 替代）	单线程 / 无并发场景（首选）

四、使用场景与推荐实践

单线程环境（无并发修改）：
- 优先用 HashMap（效率最高，支持 null 值，功能灵活）；
- 若需 “插入顺序 / 访问顺序”，用 LinkedHashMap（HashMap 子类）；
- 若需排序（如按 key 自然排序），用 TreeMap。
多线程并发环境：
- 首选 ConcurrentHashMap（JDK 1.8+ 并发性能最优，支持高并发读写，无 null 键值限制）；
- 避免用 Hashtable 或 Collections.synchronizedMap(new HashMap<>())（二者都是全局锁，并发效率低）。
禁止 null 键值的场景：
- 不用 Hashtable，可通过业务逻辑校验 null，或用 ConcurrentHashMap（手动避免 null 键值）。
历史项目兼容：
- 仅当维护老旧项目（JDK 1.0 遗留代码）时，才可能接触 Hashtable，新项目坚决不用。