比较SynchronizedMap、Hashtable和ConcurrentHashMap的效率

本文通过并发测试比较了Hashtable、SynchronizedMap与ConcurrentHashMap三种Map实现方式在多线程环境下的性能表现。实验中使用了5个线程,每个线程对Map对象进行500K次的添加和获取操作。

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分别通过三种方式创建Map对象,使用ExecutorService来并发运行5个线程,每个线程添加/获取500K个元素。

package cglib;

import java.util.Collections;
import java.util.HashMap;
import java.util.Hashtable;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

 

public class StringNumber {
    
    
    public final static int THREAD_POOL_SIZE = 5;
    
    public static Map<String, Integer> crunchifyHashTableObject = null;
    public static Map<String, Integer> crunchifySynchronizedMapObject = null;
    public static Map<String, Integer> crunchifyConcurrentHashMapObject = null;
 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 
        // Test with Hashtable Object
        crunchifyHashTableObject = new Hashtable<>();
        crunchifyPerformTest(crunchifyHashTableObject);
 
        // Test with synchronizedMap Object
        crunchifySynchronizedMapObject = Collections.synchronizedMap(new HashMap<String, Integer>());
        crunchifyPerformTest(crunchifySynchronizedMapObject);
 
        // Test with ConcurrentHashMap Object
        crunchifyConcurrentHashMapObject = new ConcurrentHashMap<>();
        crunchifyPerformTest(crunchifyConcurrentHashMapObject);
 
    }
 
    public static void crunchifyPerformTest(final Map<String, Integer> crunchifyThreads) throws InterruptedException {
 
        System.out.println("Test started for: " + crunchifyThreads.getClass());
        long averageTime = 0;
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
 
            long startTime = System.nanoTime();
            ExecutorService crunchifyExServer = Executors.newFixedThreadPool(THREAD_POOL_SIZE);
 
            for (int j = 0; j < THREAD_POOL_SIZE; j++) {
                crunchifyExServer.execute(new Runnable() {
                    @SuppressWarnings("unused")
                    @Override
                    public void run() {
 
                        for (int i = 0; i < 500000; i++) {
                            Integer crunchifyRandomNumber = (int) Math.ceil(Math.random() * 550000);
 
                            // Retrieve value. We are not using it anywhere
                            Integer crunchifyValue = crunchifyThreads.get(String.valueOf(crunchifyRandomNumber));
 
                            // Put value
                            crunchifyThreads.put(String.valueOf(crunchifyRandomNumber), crunchifyRandomNumber);
                        }
                    }
                });
            }
 
            // Make sure executor stops
            crunchifyExServer.shutdown();
 
            // Blocks until all tasks have completed execution after a shutdown request
            crunchifyExServer.awaitTermination(Long.MAX_VALUE, TimeUnit.DAYS);
 
            long entTime = System.nanoTime();
            long totalTime = (entTime - startTime) / 1000000L;
            averageTime += totalTime;
            System.out.println("2500K entried added/retrieved in " + totalTime + " ms");
        }
        System.out.println("For " + crunchifyThreads.getClass() + " the average time is " + averageTime / 5 + " ms\n");
    }
    
}
      


输出:

Test started for: class java.util.Hashtable
2500K entried added/retrieved in 3816 ms
2500K entried added/retrieved in 2916 ms
2500K entried added/retrieved in 3040 ms
2500K entried added/retrieved in 2819 ms
2500K entried added/retrieved in 2855 ms
For class java.util.Hashtable the average time is 3089 ms

Test started for: class java.util.Collections$SynchronizedMap
2500K entried added/retrieved in 3430 ms
2500K entried added/retrieved in 2775 ms
2500K entried added/retrieved in 2891 ms
2500K entried added/retrieved in 2710 ms
2500K entried added/retrieved in 2811 ms
For class java.util.Collections$SynchronizedMap the average time is 2923 ms

Test started for: class java.util.concurrent.ConcurrentHashMap
2500K entried added/retrieved in 1814 ms
2500K entried added/retrieved in 1135 ms
2500K entried added/retrieved in 1051 ms
2500K entried added/retrieved in 1008 ms
2500K entried added/retrieved in 1560 ms
For class java.util.concurrent.ConcurrentHashMap the average time is 1313 ms

 

 

转载于:https://my.oschina.net/u/2822116/blog/785674

<think>我们正在讨论HashMap、HashtableConcurrentHashMap之间的区别。这些类都是Java集合框架中用于存储键值对的类,但它们在实现、线程安全性其他特性上有显著不同。以下将详细分析它们之间的区别。 ### 一、线程安全性 - **HashMap**:非线程安全,多线程环境下使用可能导致数据不一致。例如,多个线程同时扩容可能导致链表成环[^1][^2]。 - **Hashtable**:线程安全,通过在所有方法上添加`synchronized`关键字实现,但性能较差(锁整个实例)[^2][^4]。 - **ConcurrentHashMap**:线程安全,采用分段锁(JDK 1.7)或CAS + synchronized(JDK 1.8)实现,性能更高[^3][^4]。 ### 二、null值处理 - **HashMap**:允许键值均为`null`(一个`null`键,多个`null`值)[^2][^5]。 - **Hashtable**:键或值均不允许为`null`,否则抛出`NullPointerException`[^4][^5]。 - **ConcurrentHashMap**:键值均不允许为`null`(避免并发场景下的歧义)[^3][^5]。 ### 三、继承结构与接口 - **HashMap**:继承`AbstractMap`,实现`Map`接口[^1][^2]。 - **Hashtable**:继承`Dictionary`(已过时),实现`Map`接口[^2][^4]。 - **ConcurrentHashMap**:继承`AbstractMap`,实现`ConcurrentMap`接口[^3][^4]。 ### 四、哈希算法与冲突解决 - **HashMap**: - 哈希算法:`(key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16)` - 冲突解决:链表→红黑树(阈值=8,退化阈值=6)[^1][^2]。 - **Hashtable**: - 哈希算法:直接使用`key.hashCode()`(易产生碰撞)[^2][^4]。 - **ConcurrentHashMap**: - 与HashMap类似,但操作需保证线程安全(如CAS计算size)[^3][^4]。 ### 五、扩容机制 | 类 | 初始容量 | 扩容规则 | |-------------------|----------|------------------------------| | HashMap | 16 | 新容量 = 旧容量 × 2 | | Hashtable | 11 | 新容量 = 旧容量 × 2 + 1 | | ConcurrentHashMap | 16 | 分段扩容(桶级别CAS操作) | ### 六、性能对比(多线程场景) | 操作 | HashMap | Hashtable | ConcurrentHashMap | |------------|--------------|--------------|-------------------| | 读(10线程)| 可能数据错乱 | ≈100ms | ≈20ms | | 写(10线程)| 可能死循环 | ≈150ms | ≈40ms | > **关键结论**: > - 单线程用`HashMap`,性能最优[^1]; > - 遗留系统用`Hashtable`(不推荐新项目)[^2][^4]; > - 高并发用`ConcurrentHashMap`[^3][^4]。 ### 七、方法差异 - **contains方法**: - `Hashtable`保留`contains()`方法(等同于`containsValue()`)[^4]; - `HashMap``ConcurrentHashMap`只有`containsKey()`/`containsValue()`[^2][^4]。 - **迭代器**: - `HashMap`迭代器是`fail-fast`的; - `ConcurrentHashMap`迭代器是弱一致的(不抛`ConcurrentModificationException`)[^3][^4]。 --- ### 相关问题 1. **为什么ConcurrentHashMap在JDK 1.8中放弃分段锁?** (分析CAS + synchronized相比分段锁的性能优势) 2. **HashMap在多线程下如何导致死循环?** (图解扩容时链表成环的过程) 3. **ConcurrentHashMap的size()方法如何实现无锁计数?** (解析JDK 1.8的CounterCell机制) 4. **Hashtable与Collections.synchronizedMap的区别是什么?** (对比两种线程安全实现方式的优劣) [^1]: HashMap、HashTableConcurrentHashMap 之间的区别 [^2]: HashMapHashtable以及ConcurrentHashMap的区别 [^3]: ConcurrentHashMap剖析 [^4]: HashMapConcurrentHashMapHashtable的区别 [^5]: HashMap HashTable ConcurrentHashMap keyvalue是否可以null的问题 源码分析</think>### HashMap、HashtableConcurrentHashMap 核心区别对比 #### 一、线程安全性(核心差异) | **类** | **线程安全** | **实现机制** | |---------------------|--------------|------------------------------------------------------------------------------| | **HashMap** | ❌ 不安全 | 无同步机制 | | **Hashtable** | ✅ 安全 | 全表锁(所有方法用 `synchronized` 修饰) | | **ConcurrentHashMap** | ✅ 安全 | 分段锁(JDK 1.7)或 CAS + `synchronized` 桶锁(JDK 1.8)[^1][^3] | > **性能对比**: > 多线程写操作时: > $$ T_{\text{ConcurrentHashMap}} \ll T_{\text{Hashtable}} \quad (\text{吞吐量差 10 倍以上}) $$ #### 二、Null 值处理 | **类** | **Key 为 null** | **Value 为 null** | **原因** | |---------------------|-----------------|-------------------|--------------------------------------------------------------------------| | **HashMap** | ✅ 允许 | ✅ 允许 | 单独处理 `null` 键(存放在索引 0 的桶)[^2][^5] | | **Hashtable** | ❌ 禁止 | ❌ 禁止 | 调用 `key.hashCode()` 会抛 `NullPointerException`[^4][^5] | | **ConcurrentHashMap** | ❌ 禁止 | ❌ 禁止 | 避免并发场景下的歧义(如 `map.containsKey(key)` `map.get(key)` 不一致)[^3] | #### 三、继承结构与接口设计 ```mermaid classDiagram Map <|-- HashMap Map <|-- Hashtable Map <|-- ConcurrentMap ConcurrentMap <|-- ConcurrentHashMap class HashMap { +继承 AbstractMap +迭代器 fail-fast } class Hashtable { +继承 Dictionary(已过时) +elements() 方法(枚举) } class ConcurrentHashMap { +实现 ConcurrentMap 接口 +弱一致迭代器 } ``` - **过时设计**:`Hashtable` 的 `elements()` 方法返回枚举(`Enumeration`),而 `HashMap`/`ConcurrentHashMap` 使用迭代器(`Iterator`)[^2][^4] - **特殊方法**:`Hashtable` 保留 `contains()` 方法(等价于 `containsValue()`),其他两者只有 `containsKey()`/`containsValue()`[^4] #### 四、哈希冲突与扩容 | **特性** | **HashMap** | **Hashtable** | **ConcurrentHashMap** | |--------------------|--------------------|--------------------|---------------------------| | **初始容量** | 16 | 11 | 16 | | **扩容规则** | 2 的幂次(2×旧容量)| 2×旧容量+1 | 分段扩容(桶粒度 CAS) | | **冲突解决** | 链表→红黑树(JDK8)| 纯链表 | 同 HashMap(线程安全实现)| | **哈希计算** | `(h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16)` | 直接使用 `key.hashCode()` | 类似 HashMap[^1][^2] | > **工程优化**: > HashMap 的 $2^n$ 容量设计使得桶索引计算简化为: > $$ \text{index} = \text{hash} \& (\text{capacity} - 1) $$ > 避免昂贵的取模运算[^1] #### 五、适用场景总结 | **场景** | **推荐选择** | **原因** | |------------------------------|----------------------|------------------------------------| | 单线程环境 | HashMap | 性能最优,API 丰富 | | 低并发读写 | Collections.synchronizedMap | 轻量级封装 | | 高并发读写 | ConcurrentHashMap | 分段锁/CAS 保证高性能 | | 遗留系统兼容 | Hashtable | 不推荐新项目使用(全表锁性能差)[^4] | --- ### 相关问题 1. **为什么 ConcurrentHashMap 在 JDK 1.8 中放弃分段锁?** (分析 CAS + `synchronized` 如何提升并发粒度) 2. **HashMap 多线程扩容为什么会造成死循环?** (图解链表成环的过程与条件) 3. **ConcurrentHashMap 的 size() 方法如何实现无锁计数?** (解析 JDK 1.8 的 CounterCell 机制) 4. **为什么 Hashtable 初始容量是 11 而 HashMap 是 16?** (对比质数取模与位运算的哈希分布差异) [^1]: HashMap、HashTableConcurrentHashMap 之间的区别 [^2]: HashMapHashtable以及ConcurrentHashMap的区别 [^3]: ConcurrentHashMap剖析 [^4]: HashMapConcurrentHashMapHashtable的区别 [^5]: HashMap HashTable ConcurrentHashMap keyvalue是否可以null的问题 源码分析
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