HashMap和HashTable有什么区别？其底层实现是什么？

HashMap 和 HashTable 是 Java 中两种常用的键值对存储结构，它们都实现了 Map 接口，但在特性、性能和底层实现上有显著的区别。下面我们从多个方面详细对比它们的区别，并深入分析它们的底层实现。

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1. 定义

特性	HashMap	HashTable
定义	基于哈希表实现的键值对存储结构。	基于哈希表实现的键值对存储结构。
线程安全	非线程安全。	线程安全（方法使用 synchronized 修饰）。
继承关系	继承自 AbstractMap。	继承自 Dictionary（已过时）。

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2. 主要区别

特性	HashMap	HashTable
线程安全	非线程安全。	线程安全。
性能	较高（无同步开销）。	较低（有同步开销）。
允许 null 键/值	允许 null 键和 null 值。	不允许 null 键和 null 值。
迭代器	使用 Iterator，支持快速失败（fail-fast）。	使用 Enumeration，不支持快速失败。
初始容量和扩容	默认初始容量 16，扩容时容量翻倍。	默认初始容量 11，扩容时容量翻倍加 1。
继承关系	继承自 AbstractMap。	继承自 Dictionary（已过时）。

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3. 示例代码

HashMap 示例：

Map<String, Integer> hashMap = new HashMap<>();
hashMap.put("A", 1);
hashMap.put("B", 2);
hashMap.put(null, 3); // 允许 null 键
hashMap.put("C", null); // 允许 null 值
System.out.println(hashMap); // 输出 {A=1, B=2, null=3, C=null}

HashTable 示例：

Map<String, Integer> hashTable = new Hashtable<>();
hashTable.put("A", 1);
hashTable.put("B", 2);
// hashTable.put(null, 3); // 报错，不允许 null 键
// hashTable.put("C", null); // 报错，不允许 null 值
System.out.println(hashTable); // 输出 {A=1, B=2}

4. 底层实现

(1) 数据结构

• HashMap 和 HashTable 的底层都是基于哈希表实现的。

• 哈希表的核心是一个数组（table），数组的每个元素是一个链表或红黑树（Java 8 之后，当链表长度超过阈值时会转换为红黑树）。

(2) 哈希冲突

• 当两个键的哈希值相同时，会发生哈希冲突。

• 冲突的键值对会存储在同一个桶（Bucket）中，形成链表或红黑树。

(3) 扩容机制

• 当元素数量超过容量与负载因子的乘积时，会触发扩容。

• HashMap 和 HashTable 的扩容机制类似，但初始容量和扩容策略略有不同：

  • HashMap：默认初始容量 16，扩容时容量翻倍。

  • HashTable：默认初始容量 11，扩容时容量翻倍加 1。

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5. 详细对比

(1) 线程安全性

• HashMap：

  • 非线程安全。

  • 如果需要线程安全，可以使用 Collections.synchronizedMap(new HashMap<>()) 或 ConcurrentHashMap。

• HashTable：

  • 线程安全，所有方法都用 synchronized 修饰。

  • 由于同步开销，性能较低。

(2) 允许 null 键/值

• HashMap：

  • 允许 null 键和 null 值。

hashMap.put(null, 1); // 允许
hashMap.put("A", null); // 允许

HashTable：

• 不允许 null 键和 null 值。

hashTable.put(null, 1); // 报错
hashTable.put("A", null); // 报错

(3) 迭代器

• HashMap：

  • 使用 Iterator，支持快速失败（fail-fast）。

  • 如果在迭代过程中修改了集合（除了通过 Iterator 的 remove 方法），会抛出 ConcurrentModificationException。

• HashTable：

  • 使用 Enumeration，不支持快速失败。

  • 如果在迭代过程中修改了集合，不会抛出异常。

(4) 性能

• HashMap：

  • 由于没有同步开销，性能较高。

• HashTable：

  • 由于所有方法都用 synchronized 修饰，性能较低。

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6. 使用场景

场景	HashMap	HashTable
单线程环境	适合。	不适合（性能较低）。
多线程环境	不适合（需额外同步）。	适合（线程安全）。
需要允许 null 键/值	适合。	不适合。
需要快速失败机制	适合。	不适合。

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7. 总结

特性	HashMap	HashTable
线程安全	非线程安全。	线程安全。
性能	较高。	较低。
允许 null 键/值	允许。	不允许。
迭代器	支持快速失败。	不支持快速失败。
初始容量和扩容	默认 16，扩容翻倍。	默认 11，扩容翻倍加 1。
继承关系	继承自 AbstractMap。	继承自 Dictionary（已过时）。

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8. 一句话总结

• HashMap：非线程安全，性能高，允许 null 键/值，适合单线程环境。

• HashTable：线程安全，性能低，不允许 null 键/值，适合多线程环境。