HashTable实现原理

最新推荐文章于 2025-02-05 16:25:31 发布

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有两个类都提供了一个多种用途的hashTable机制，他们都可以将可以key和value结合起来构成键值对通过put(key,value)方法保存起来，然后通过get(key)方法获取相对应的value值。一个是前面提到的HashMap，还有一个就是马上要讲解的HashTable。对于HashTable而言，它在很大程度上和HashMap的实现差不多，如果我们对HashMap比较了解的话，对HashTable的认知会提高很大的帮助。他们两者之间只存在几点的不同，这个后面会阐述。

1.定义

HashTable在Java中的定义如下：

public class Hashtable<K,V>
extends Dictionary< K, V>
implements Map< K, V>, Cloneable, java. io. Serializable

从中可以看出HashTable继承Dictionary类，实现Map接口。其中Dictionary类是任何可将键映射到相应值的类（如 Hashtable）的抽象父类。每个键和每个值都是一个对象。在任何一个 Dictionary 对象中，每个键至多与一个值相关联。Map是"key-value键值对"接口。

HashTable采用"拉链法"实现哈希表，它定义了几个重要的参数：table、count、threshold、loadFactor、modCount。

table：为一个Entry[]数组类型，Entry代表了“拉链”的节点，每一个Entry代表了一个键值对，哈希表的"key-value键值对"都是存储在Entry数组中的。

count：HashTable的大小，注意这个大小并不是HashTable的容器大小，而是他所包含Entry键值对的数量。

threshold：Hashtable的阈值，用于判断是否需要调整Hashtable的容量。threshold的值="容量*加载因子"。

loadFactor：加载因子。

modCount：用来实现“fail-fast”机制的（也就是快速失败）。所谓快速失败就是在并发集合中，其进行迭代操作时，若有其他线程对其进行结构性的修改，这时迭代器会立马感知到，并且立即抛出ConcurrentModificationException异常，而不是等到迭代完成之后才告诉你（你已经出错了）

2.构造方法

在HashTabel中存在5个构造函数。通过这5个构造函数我们构建出一个我想要的HashTable。

1.默认构造函数，容量为11，加载因子为0.75：

1. public Hashtable() {
2. this( 11, 0.75f);
3. }

2.用指定初始容量和默认的加载因子 (0.75) 构造一个新的空哈希表：

1. public Hashtable(int initialCapacity) {
2. this(initialCapacity, 0.75f);
3. }

3.用指定初始容量和指定加载因子构造一个新的空哈希表。其中initHashSeedAsNeeded方法用于初始化hashSeed参数，其中hashSeed用于计算key的hash值，它与key的hashCode进行按位异或运算。这个hashSeed是一个与实例相关的随机值，主要用于解决hash冲突：

1. public Hashtable(int initialCapacity, float loadFactor) {
2. //验证初始容量
3. if (initialCapacity < 0)
4. throw new IllegalArgumentException( "Illegal Capacity: "+
5. initialCapacity);
6. //验证加载因子
7. if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
8. throw new IllegalArgumentException( "Illegal Load: "+loadFactor);
9.
10. if (initialCapacity== 0)
11. initialCapacity = 1;
12.
13. this.loadFactor = loadFactor;
14.
15. //初始化table，获得大小为initialCapacity的table数组
16. table = new Entry[initialCapacity];
17. //计算阀值
18. threshold = ( int)Math.min(initialCapacity * loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE + 1);
19. //初始化HashSeed值
20. initHashSeedAsNeeded(initialCapacity);
21. }
1. private int hash(Object k) {
2. return hashSeed ^ k.hashCode();
3. }

4.构造一个与给定的 Map 具有相同映射关系的新哈希表：

1. public Hashtable(Map<? extends K, ? extends V> t) {
2. //设置table容器大小，其值==t.size * 2 + 1
3. this(Math.max( 2*t.size(), 11), 0.75f);
4. putAll(t);
}

3.主要方法

HashTable的API对外提供了许多方法，这些方法能够很好帮助我们操作HashTable，但是这里我只介绍两个最根本的方法：put、get。

首先我们先看put方法：将指定 key 映射到此哈希表中的指定 value。注意这里键key和值value都不可为空。

1. public synchronized V put(K key, V value) {
2. // 确保value不为null
3. if (value == null) {
4. throw new NullPointerException();
5. }
6.
7. /*
8. * 确保key在table[]是不重复的
9. * 处理过程：
10. * 1、计算key的hash值，确认在table[]中的索引位置
11. * 2、迭代index索引位置，如果该位置处的链表中存在一个一样的key，则替换其value，返回旧值
12. */
13. Entry tab[] = table;
14. int hash = hash(key); //计算key的hash值
15. int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length; //确认该key的索引位置
16. //迭代，寻找该key，替换
17. for (Entry<K,V> e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) {
18. if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {
19. V old = e.value;
20. e.value = value;
21. return old;
22. }
23. }
24.
25. modCount++;
26. if (count >= threshold) { //如果容器中的元素数量已经达到阀值，则进行扩容操作
27. rehash();
28. tab = table;
29. hash = hash(key);
30. index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
31. }
32.
33. // 在索引位置处插入一个新的节点
34. Entry<K,V> e = tab[index];
35. tab[index] = new Entry<>(hash, key, value, e);
36. //容器中元素+1
37. count++;
38. return null;
39. }

put方法的整个处理流程是：计算key的hash值，根据hash值获得key在table数组中的索引位置，然后迭代该key处的Entry链表（我们暂且理解为链表），若该链表中存在一个这个的key对象，那么就直接替换其value值即可，否则在将改key-value节点插入该index索引位置处。

当程序试图将一个key-value对放入HashMap中时，程序首先根据该 key的 hashCode() 返回值决定该 Entry 的存储位置：如果两个 Entry 的 key 的 hashCode() 返回值相同，那它们的存储位置相同。如果这两个 Entry 的 key 通过 equals 比较返回 true，新添加 Entry 的 value 将覆盖集合中原有 Entry的 value，但key不会覆盖。如果这两个 Entry 的 key 通过 equals 比较返回 false，新添加的 Entry 将与集合中原有 Entry 形成 Entry 链，而且新添加的 Entry 位于 Entry 链的头部

如下：

首先我们假设一个容量为5的table，存在8、10、13、16、17、21。他们在table中位置如下：

然后我们插入一个数：put(16,22)，key=16在table的索引位置为1，同时在1索引位置有两个数，程序对该“链表”进行迭代，发现存在一个key=16,这时要做的工作就是用newValue=22替换oldValue16，并将oldValue=16返回。

在put(33,33)，key=33所在的索引位置为3，并且在该链表中也没有存在某个key=33的节点，所以就将该节点插入该链表的第一个位置。

在HashTabled的put方法中有两个地方需要注意：

1、HashTable的扩容操作，在put方法中，如果需要向table[]中添加Entry元素，会首先进行容量校验，如果容量已经达到了阀值，HashTable就会进行扩容处理rehash()，如下:

1. protected void rehash() {
2. int oldCapacity = table.length;
3. //元素
4. Entry<K,V>[] oldMap = table;
5.
6. //新容量=旧容量 * 2 + 1
7. int newCapacity = (oldCapacity << 1) + 1;
8. if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0) {
9. if (oldCapacity == MAX_ARRAY_SIZE)
10. return;
11. newCapacity = MAX_ARRAY_SIZE;
12. }
13.
14. //新建一个size = newCapacity 的HashTable
15. Entry<K,V>[] newMap = new Entry[];
16.
17. modCount++;
18. //重新计算阀值
19. threshold = ( int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE + 1);
20. //重新计算hashSeed
21. boolean rehash = initHashSeedAsNeeded(newCapacity);
22.
23. table = newMap;
24. //将原来的元素拷贝到新的HashTable中
25. for ( int i = oldCapacity ; i-- > 0 ;) {
26. for (Entry<K,V> old = oldMap[i] ; old != null ; ) {
27. Entry<K,V> e = old;
28. old = old.next;
29.
30. if (rehash) {
31. e.hash = hash(e.key);
32. }
33. int index = (e.hash & 0x7FFFFFFF) % newCapacity;
34. e.next = newMap[index];
35. newMap[index] = e;
36. }
37. }
38. }

在这个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中的元素一一复制到新的HashTable中，这个过程是比较消耗时间的，同时还需要重新计算hashSeed的，毕竟容量已经变了。这里对阀值啰嗦一下：比如初始值11、加载因子默认0.75，那么这个时候阀值threshold=8，当容器中的元素达到8时，HashTable进行一次扩容操作，容量 = 8 * 2 + 1 =17，而阀值threshold=17*0.75 = 13，当容器元素再一次达到阀值时，HashTable还会进行扩容操作，一次类推。

2、下面是计算key的hash值，这里hashSeed发挥了作用。

1. private int hash(Object k) {
2. return hashSeed ^ k.hashCode();
}

相对于put方法，get方法就会比较简单，处理过程就是计算key的hash值，判断在table数组中的索引位置，然后迭代链表，匹配直到找到相对应key的value,若没有找到返回null。

1. public synchronized V get(Object key) {
2. Entry tab[] = table;
3. int hash = hash(key);
4. int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
5. for (Entry<K,V> e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) {
6. if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {
7. return e.value;
8. }
9. }
10. return null;
11. }

4.和HashMap的区别

1.HashMap可以允许存在一个为null的key和任意个为null的value，但是HashTable中的key和value都不允许为null。如下：

当HashMap遇到为null的key时，它会调用putForNullKey方法来进行处理。对于value没有进行任何处理，只要是对象都可以。

if (key == null)
return putForNullKey(value);

而当HashTable遇到null时，他会直接抛出NullPointerException异常信息。

if (value == null) {
throw new NullPointerException();
}

2.Hashtable的方法是同步的，而HashMap的方法不是。所以有人一般都建议如果是涉及到多线程同步时采用HashTable，没有涉及就采用HashMap。

3.HashTable有一个contains(Object value)，功能和containsValue(Object value)功能一样。

4.两个遍历方式的内部实现上不同。

Hashtable、HashMap都使用了 Iterator。而由于历史原因，Hashtable还使用了Enumeration的方式。

5.哈希值的使用不同，HashTable直接使用对象的hashCode。而HashMap重新计算hash值。代码是这样的：
int hash = key.hashCode();
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
而HashMap重新计算hash值，而且用与代替求模：
int hash = hash(k);
int i = indexFor(hash, table.length);