HashMap、Hashtable、ConcurrentHashMap的原理与区别

最新推荐文章于 2024-03-08 20:13:31 发布

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本文详细对比了Java中HashTable、HashMap和ConcurrentHashMap的实现原理，包括锁机制、线程安全、扩容策略及数据结构优化，揭示了ConcurrentHashMap在JDK1.8中的重大改进。

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https://www.cnblogs.com/heyonggang/p/9112731.html

下面直接来干货，先说这三个Map的区别：

HashTable

底层数组+链表实现，无论key还是value都不能为null，线程安全，实现线程安全的方式是在修改数据时锁住整个HashTable，效率低，ConcurrentHashMap做了相关优化-锁分段技术
初始size为11，扩容：newsize = olesize*2+1
计算index的方法：index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length

HashMap

底层数组+链表实现，可以存储null键和null值，线程不安全
初始size为16，扩容：newsize = oldsize*2，size一定为2的n次幂
扩容针对整个Map，每次扩容时，原来数组中的元素依次重新计算存放位置，并重新插入
插入元素后才判断该不该扩容，有可能无效扩容（插入后如果扩容，如果没有再次插入，就会产生无效扩容）
当Map中元素总数超过Entry数组的75%，触发扩容操作，为了减少链表长度，元素分配更均匀
计算index方法：index = hash & (tab.length – 1)

HashMap的初始值还要考虑加载因子:

哈希冲突：若干Key的哈希值按数组大小取模后，如果落在同一个数组下标上，将组成一条Entry链，对Key的查找需要遍历Entry链上的每个元素执行equals()比较。
加载因子：为了降低哈希冲突的概率，默认当HashMap中的键值对达到数组大小的75%时，即会触发扩容。因此，如果预估容量是100，即需要设定100/0.75＝134的数组大小。
空间换时间：如果希望加快Key查找的时间，还可以进一步降低加载因子，加大初始大小，以降低哈希冲突的概率。

HashMap和Hashtable都是用hash算法来决定其元素的存储，因此HashMap和Hashtable的hash表包含如下属性：

容量（capacity）：hash表中桶的数量
初始化容量（initial capacity）：创建hash表时桶的数量，HashMap允许在构造器中指定初始化容量
尺寸（size）：当前hash表中记录的数量
负载因子（load factor）：负载因子等于“size/capacity”。负载因子为0，表示空的hash表，0.5表示半满的散列表，依此类推。轻负载的散列表具有冲突少、适宜插入与查询的特点（但是使用Iterator迭代元素时比较慢）

除此之外，hash表里还有一个“负载极限”，“负载极限”是一个0～1的数值，“负载极限”决定了hash表的最大填满程度。当hash表中的负载因子达到指定的“负载极限”时，hash表会自动成倍地增加容量（桶的数量），并将原有的对象重新分配，放入新的桶内，这称为rehashing。

HashMap和Hashtable的构造器允许指定一个负载极限，HashMap和Hashtable默认的“负载极限”为0.75，这表明当该hash表的3/4已经被填满时，hash表会发生rehashing。

“负载极限”的默认值（0.75）是时间和空间成本上的一种折中：

较高的“负载极限”可以降低hash表所占用的内存空间，但会增加查询数据的时间开销，而查询是最频繁的操作（HashMap的get()与put()方法都要用到查询）
较低的“负载极限”会提高查询数据的性能，但会增加hash表所占用的内存开销

程序猿可以根据实际情况来调整“负载极限”值。

ConcurrentHashMap

底层采用分段的数组+链表实现，线程安全
通过把整个Map分为N个Segment，可以提供相同的线程安全，但是效率提升N倍，默认提升16倍。(读操作不加锁，由于HashEntry的value变量是 volatile的，也能保证读取到最新的值。)
Hashtable的synchronized是针对整张Hash表的，即每次锁住整张表让线程独占，ConcurrentHashMap允许多个修改操作并发进行，其关键在于使用了锁分离技术

有些方法需要跨段，比如size()和containsValue()，它们可能需要锁定整个表而而不仅仅是某个段，这需要按顺序锁定所有段，操作完毕后，又按顺序释放所有段的锁
扩容：段内扩容（段内元素超过该段对应Entry数组长度的75%触发扩容，不会对整个Map进行扩容），插入前检测需不需要扩容，有效避免无效扩容

Hashtable和HashMap都实现了Map接口，但是Hashtable的实现是基于Dictionary抽象类的。Java5提供了ConcurrentHashMap，它是HashTable的替代，比HashTable的扩展性更好。

HashMap基于哈希思想，实现对数据的读写。当我们将键值对传递给put()方法时，它调用键对象的hashCode()方法来计算hashcode，然后找到bucket位置来存储值对象。当获取对象时，通过键对象的equals()方法找到正确的键值对，然后返回值对象。HashMap使用链表来解决碰撞问题，当发生碰撞时，对象将会储存在链表的下一个节点中。HashMap在每个链表节点中储存键值对对象。当两个不同的键对象的hashcode相同时，它们会储存在同一个bucket位置的链表中，可通过键对象的equals()方法来找到键值对。如果链表大小超过阈值（TREEIFY_THRESHOLD,8），链表就会被改造为树形结构。

在HashMap中，null可以作为键，这样的键只有一个，但可以有一个或多个键所对应的值为null。当get()方法返回null值时，即可以表示HashMap中没有该key，也可以表示该key所对应的value为null。因此，在HashMap中不能由get()方法来判断HashMap中是否存在某个key，应该用containsKey()方法来判断。而在Hashtable中，无论是key还是value都不能为null。

Hashtable是线程安全的，它的方法是同步的，可以直接用在多线程环境中。而HashMap则不是线程安全的，在多线程环境中，需要手动实现同步机制。

Hashtable与HashMap另一个区别是HashMap的迭代器（Iterator）是fail-fast迭代器，而Hashtable的enumerator迭代器不是fail-fast的。所以当有其它线程改变了HashMap的结构（增加或者移除元素），将会抛出ConcurrentModificationException，但迭代器本身的remove()方法移除元素则不会抛出ConcurrentModificationException异常。但这并不是一个一定发生的行为，要看JVM。

先看一下简单的类图：

从类图中可以看出来在存储结构中ConcurrentHashMap比HashMap多出了一个类Segment，而Segment是一个可重入锁。

ConcurrentHashMap是使用了锁分段技术来保证线程安全的。

锁分段技术：首先将数据分成一段一段的存储，然后给每一段数据配一把锁，当一个线程占用锁访问其中一个段数据的时候，其他段的数据也能被其他线程访问。

ConcurrentHashMap提供了与Hashtable和SynchronizedMap不同的锁机制。Hashtable中采用的锁机制是一次锁住整个hash表，从而在同一时刻只能由一个线程对其进行操作；而ConcurrentHashMap中则是一次锁住一个桶。

ConcurrentHashMap默认将hash表分为16个桶，诸如get、put、remove等常用操作只锁住当前需要用到的桶。这样，原来只能一个线程进入，现在却能同时有16个写线程执行，并发性能的提升是显而易见的

ConcurrentHashMap在jdk1.8中的改进

一、简单回顾ConcurrentHashMap在jdk1.7中的设计

先简单看下ConcurrentHashMap类在jdk1.7中的设计，其基本结构如图所示：

每一个segment都是一个HashEntry<K,V>[] table， table中的每一个元素本质上都是一个HashEntry的单向队列。比如table[3]为首节点，table[3]->next为节点1，之后为节点2，依次类推。

public class ConcurrentHashMap<K, V> extends AbstractMap<K, V>
        implements ConcurrentMap<K, V>, Serializable {

    // 将整个hashmap分成几个小的map，每个segment都是一个锁；与hashtable相比，这么设计的目的是对于put, remove等操作，可以减少并发冲突，对
    // 不属于同一个片段的节点可以并发操作，大大提高了性能
    final Segment<K,V>[] segments;

    // 本质上Segment类就是一个小的hashmap，里面table数组存储了各个节点的数据，继承了ReentrantLock, 可以作为互拆锁使用
    static final class Segment<K,V> extends ReentrantLock implements Serializable {
        transient volatile HashEntry<K,V>[] table;
        transient int count;
    }

    // 基本节点，存储Key， Value值
    static final class HashEntry<K,V> {
        final int hash;
        final K key;
        volatile V value;
        volatile HashEntry<K,V> next;
    }
}

二、在jdk1.8中主要做了2方面的改进

改进一：取消segments字段，直接采用transient volatile HashEntry<K,V>[] table保存数据，采用table数组元素作为锁，从而实现了对每一行数据进行加锁，进一步减少并发冲突的概率。

改进二：将原先table数组＋单向链表的数据结构，变更为table数组＋单向链表＋红黑树的结构。对于hash表来说，最核心的能力在于将key hash之后能均匀的分布在数组中。如果hash之后散列的很均匀，那么table数组中的每个队列长度主要为0或者1。但实际情况并非总是如此理想，虽然ConcurrentHashMap类默认的加载因子为0.75，但是在数据量过大或者运气不佳的情况下，还是会存在一些队列长度过长的情况，如果还是采用单向列表方式，那么查询某个节点的时间复杂度为O(n)；因此，对于个数超过8(默认值)的列表，jdk1.8中采用了红黑树的结构，那么查询的时间复杂度可以降低到O(logN)，可以改进性能。

为了说明以上2个改动，看一下put操作是如何实现的。

final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
    if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
    int hash = spread(key.hashCode());
    int binCount = 0;
    for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
        Node<K,V> f; int n, i, fh;
        // 如果table为空，初始化；否则，根据hash值计算得到数组索引i，如果tab[i]为空，直接新建节点Node即可。注：tab[i]实质为链表或者红黑树的首节点。
        if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
            tab = initTable();
        else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
            if (casTabAt(tab, i, null,
                         new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
                break;                   // no lock when adding to empty bin
        }
        // 如果tab[i]不为空并且hash值为MOVED，说明该链表正在进行transfer操作，返回扩容完成后的table。
        else if ((fh = f.hash) == MOVED)
            tab = helpTransfer(tab, f);
        else {
            V oldVal = null;
            // 针对首个节点进行加锁操作，而不是segment，进一步减少线程冲突
            synchronized (f) {
                if (tabAt(tab, i) == f) {
                    if (fh >= 0) {
                        binCount = 1;
                        for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
                            K ek;
                            // 如果在链表中找到值为key的节点e，直接设置e.val = value即可。
                            if (e.hash == hash &&
                                ((ek = e.key) == key ||
                                 (ek != null && key.equals(ek)))) {
                                oldVal = e.val;
                                if (!onlyIfAbsent)
                                    e.val = value;
                                break;
                            }
                            // 如果没有找到值为key的节点，直接新建Node并加入链表即可。
                            Node<K,V> pred = e;
                            if ((e = e.next) == null) {
                                pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
                                                          value, null);
                                break;
                            }
                        }
                    }
                    // 如果首节点为TreeBin类型，说明为红黑树结构，执行putTreeVal操作。
                    else if (f instanceof TreeBin) {
                        Node<K,V> p;
                        binCount = 2;
                        if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key,
                                                       value)) != null) {
                            oldVal = p.val;
                            if (!onlyIfAbsent)
                                p.val = value;
                        }
                    }
                }
            }
            if (binCount != 0) {
                // 如果节点数>＝8，那么转换链表结构为红黑树结构。
                if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
                    treeifyBin(tab, i);
                if (oldVal != null)
                    return oldVal;
                break;
            }
        }
    }
    // 计数增加1，有可能触发transfer操作(扩容)。
    addCount(1L, binCount);
    return null;
}

另外，在其他方面也有一些小的改进，比如新增字段 transient volatile CounterCell[] counterCells; 可方便的计算hashmap中所有元素的个数，性能大大优于jdk1.7中的size()方法。

三、ConcurrentHashMap jdk1.7、jdk1.8性能比较

测试程序如下：

public class CompareConcurrentHashMap {
    private static ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<String, Integer>(40000);


    public static void putPerformance(int index, int num) {
        for (int i = index; i < (num + index) ; i++)
            map.put(String.valueOf(i), i);
    }
public static void getPerformance2() {
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 400000; i++)
            map.get(String.valueOf(i));
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("get: it costs " + (end - start) + " ms");
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        long start = System.currentTimeMillis();
        final CountDownLatch cdLatch = new CountDownLatch(4);
        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            final int finalI = i;
            new Thread(new Runnable() {
                public void run() {
                    CompareConcurrentHashMap.putPerformance(100000 * finalI, 100000);
                    cdLatch.countDown();
                }
            }).start();
        }
        cdLatch.await();
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("put: it costs " + (end - start) + " ms");
        CompareConcurrentHashMap.getPerformance2();
    }
}

程序运行多次后取平均值，结果如下：

四、Collections.synchronizedList和CopyOnWriteArrayList性能分析

CopyOnWriteArrayList在线程对其进行变更操作的时候，会拷贝一个新的数组以存放新的字段，因此写操作性能很差；而Collections.synchronizedList读操作采用了synchronized，因此读性能较差。以下为测试程序：

public class App {
    private static List<String> arrayList = Collections.synchronizedList(new ArrayList<String>());
    private static List<String> copyOnWriteArrayList = new CopyOnWriteArrayList<String>();
    private static CountDownLatch cdl1 = new CountDownLatch(2);
    private static CountDownLatch cdl2 = new CountDownLatch(2);
    private static CountDownLatch cdl3 = new CountDownLatch(2);
    private static CountDownLatch cdl4 = new CountDownLatch(2);

    static class Thread1 extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 10000; i++)
                arrayList.add(String.valueOf(i));
            cdl1.countDown();
        }
    }

    static class Thread2 extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 10000; i++)
                copyOnWriteArrayList.add(String.valueOf(i));
            cdl2.countDown();
        }
    }

    static class Thread3 extends Thread1 {
        @Override
        public void run() {
            int size = arrayList.size();
            for (int i = 0; i < size; i++)
                arrayList.get(i);
            cdl3.countDown();
        }
    }

    static class Thread4 extends Thread1 {
        @Override
        public void run() {
            int size = copyOnWriteArrayList.size();
            for (int i = 0; i < size; i++)
                copyOnWriteArrayList.get(i);
            cdl4.countDown();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        long start1 = System.currentTimeMillis();
        new Thread1().start();
        new Thread1().start();
        cdl1.await();
        System.out.println("arrayList add: " + (System.currentTimeMillis() - start1));

        long start2 = System.currentTimeMillis();
        new Thread2().start();
        new Thread2().start();
        cdl2.await();
        System.out.println("copyOnWriteArrayList add: " + (System.currentTimeMillis() - start2));

        long start3 = System.currentTimeMillis();
        new Thread3().start();
        new Thread3().start();
        cdl3.await();
        System.out.println("arrayList get: " + (System.currentTimeMillis() - start3));

        long start4 = System.currentTimeMillis();
        new Thread4().start();
        new Thread4().start();
        cdl4.await();
        System.out.println("copyOnWriteArrayList get: " + (System.currentTimeMillis() - start4));
    }
}

结果如下：