【数据结构之哈希表（三）】 HashMap、Hashtable和ConcurrentHashMap的对比

导语

之前学习了哈希表的扩容机制（以HashMap为例）和哈希冲突的解决办法，分别在：
哈希表的扩容实现机制 和解决哈希冲突的几种方法（距离推演）两篇博客中进行了总结记录。

而这篇主要是对比一下Java中三种哈希表的实现细节与应用场景。这也是面试中经常遇到的问题。

HashMap

HashMap的底层实现是链表+数组的形式，或者说是一个链表的数组（数组的元素为链表）。

实现细节

HashMap的初始容量为16，默认负载极限是0.75。

当负载因子（=元素个数/哈希表容量）达到负载极限时，触发HashMap的扩容。

HashMap的扩容方式是，newsize = oldsize * 2 ，所以HashMap的容量都是2的幂。扩容发生时，先将整个旧表中的元素转移到新表中，再插入新的元素。

put(K key,V value)

当调用put(K key, V value)时：
如果key不为null:

• 先调用key.hashCode()，获取key的哈希值，然后计算下标。
  如果Entry数组下标为i的位置无元素，则新增元素；
  如果Entry数组下标为i的位置有元素，则检查有没有key值相等的：
  如果无，则新增元素在Entry的末尾，否则替换掉原先的value，并返回原value。

如果key为null:

• 先调用putForNullKey(V value)方法。
  获取Entry的第一个元素table[0]，并基于第一个元素的next属性开始遍历，直到找到key为null的Entry，将其value设置为新的value值。
  如果没有找到key为null的元素，则调用addEntry(0, null, value, 0);增加一个新的entry。

get (K key)

当调用get(K key)时：
如果key不为null:

• 先调用key.hashCode()，获取key的哈希值，然后计算下标。
  在Entry数组下标为i的位置遍历，有就返回value，无就返回null。

如果key为null:

• 先调用getForNullKey()方法。
  获取Entry的第一个元素table[0]，并基于第一个元素的next属性开始遍历，找到则返回value，找不到则返回null。

需要注意的是：

由于HashMap支持储存为null的value，所以不能用get(key)==null来判断是否存在某个值，而应该调用containsKey(key)方法。

Hashtable

Hashtable的底层实现也是链表+数组的形式。

实现细节

Hashtable的初始容量为11，默认负载极限是0.75。

当负载因子（=元素个数/哈希表容量）达到负载极限时，触发HashMap的扩容。

Hashtable的扩容方式是，newsize = oldsize * 2 + 1。

扩容发生时，先将整个旧表中的元素转移到新表中，再插入新的元素。

线程安全

Hashtable和HashMap的一大区别在于，HashMap是非线程安全的，而Hashtable是线程安全的。

HashMap不支持多线程，如果要解决线程同步问题，可以通过下面的语句进行同步：

Map m = Collections.synchronizeMap(hashMap);

返回的是一个同步的map对象，里面封装了hashMap对象所有的方法。

Hashtable是线程安全的，实现同步的方式是给整个表加上synchronized关键字，所以任意两个线程不能同时访问这张表。
虽然实现了线程同步，但是将整张表锁住的方式性能很低。

put(K key, V value)

当调用put(K key, V value)时：

如果key为null，就抛出空指针异常。

如果key不为null，获取key的哈希值，计算下标。
如果存在key值一致的键值对，替换掉原先的value，并返回原value值；否则，则插入元素在Entry末尾。

get (K key)

当调用get(K key)时：
先调用key.hashCode()，获取key的哈希值，然后计算下标。
在Entry数组下标为i的位置遍历，有就返回value，无就返回null。

ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap是基于Hashtable的改进，其底层实现也是链表+数组的形式，不过是分段式的。

实现细节

ConcurrentHashMap的初始容量为16个桶。

当某个桶的负载因子（=元素个数/哈希表容量）达到负载极限时，触发该桶（仅仅是当前段）的扩容，而不是整张表的扩容。

ConcurrentHashMap的扩容方式是段内扩容，每次扩容为原先的两倍，且可以直接判断哈希码对链表长度取余的结果是0还是1，决定将其放在低位或者高位。

线程安全

线程同步的实现是利用锁分离技术。不像Hashtable对整张表加锁，而是对当前段加锁。这支持多个线程并发进行读操作和写操作。并且效率远远高于Hashtable。
当某些操作需要对整张表加锁时，就依次对所有段加锁；操作完成后，再依次释放所有的锁。

对比总结

	HashMap	Hashtable	ConcurrentHashMap
实现方式	数组+链表	数组+链表	分段的数组+链表
是否线程安全	×	√	√
多线程如何实现	-	对整个表加锁	锁分离技术
扩容方式	newsize = oldsize*2	newsize = 2*oldsize + 1	段内扩容
是否允许key为null?	√，但最多只有一个key的值null	×	×
是否允许value为null?	√	×	×
迭代器	Iterator是fail-fast迭代器	enumerator迭代器不是fail-fast的	enumerator迭代器不是fail-fast的

结束语

本篇查阅了很多资料，主要介绍了关于HashMap、Hashtable和ConcurrentHashMap这三种常用哈希表的对比，主要是关于线程安全如何实现、如何进行扩容、如何查询和添加数据等等。

学习过程中，还了解到了HashSet，和HashMap类似。不同点在于HashMap中存放的是键值对，而HashSet只存放key值（底层实现是使用HashMap，value值全部相同）。

但是对于哈希表我还存在一些疑问悬而未决。比如哈希表中的删除问题，如何进行遍历，fail-fast迭代器的含义等等，需要后续学习中进一步深入了解。