Java集合---HashTable底层原理

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：

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1. public class Hashtable<K,V>

2. extends Dictionary<K,V>

3. 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：

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1. 1.public Hashtable() {

2. 2. this(11, 0.75f);

3. 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：

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1. 1.public Hashtable(int initialCapacity) {

2. 2. this(initialCapacity, 0.75f);

3. 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：

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1. 1.public Hashtable(int initialCapacity, float loadFactor) {

2. 2. //验证初始容量

3. 3. if (initialCapacity < 0)

4. 4. throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+

5. 5. initialCapacity);

6. 6. //验证加载因子

7. 7. if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))

8. 8. throw new IllegalArgumentException("Illegal Load: "+loadFactor);

9. 9.

10. 10. if (initialCapacity==0)

11. 11. initialCapacity = 1;

12. 12.

13. 13. this.loadFactor = loadFactor;

14. 14.

15. 15. //初始化table，获得大小为initialCapacity的table数组

16. 16. table = new Entry[initialCapacity];

17. 17. //计算阀值

18. 18. threshold = (int)Math.min(initialCapacity * loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE + 1);

19. 19. //初始化HashSeed值

20. 20. initHashSeedAsNeeded(initialCapacity);

21. 21. }

22.

23.

24. 1.private int hash(Object k) {

25. 2. return hashSeed ^ k.hashCode();

26. 3. }

4.构造一个与给定的 Map 具有相同映射关系的新哈希表：

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1. 1.public Hashtable(Map<? extends K, ? extends V> t) {

2. 2. //设置table容器大小，其值==t.size * 2 + 1

3. 3. this(Math.max(2*t.size(), 11), 0.75f);

4. 4. putAll(t);

5. }

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。

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1. 1.public synchronized V put(K key, V value) {

2. 2. // 确保value不为null

3. 3. if (value == null) {

4. 4. throw new NullPointerException();

5. 5. }

6. 6.

7. 7. /*

8. 8. * 确保key在table[]是不重复的

9. 9. * 处理过程：

10. 10. * 1、计算key的hash值，确认在table[]中的索引位置

11. 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. 12. */

13. 13. Entry tab[] = table;

14. 14. int hash = hash(key); //计算key的hash值

15. 15. int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length; //确认该key的索引位置

16. 16. //迭代，寻找该key，替换

17. 17. for (Entry<K,V> e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) {

18. 18. if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {

19. 19. V old = e.value;

20. 20. e.value = value;

21. 21. return old;

22. 22. }

23. 23. }

24. 24.

25. 25. modCount++;

26. 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. 27. rehash();

28. 28. tab = table;

29. 29. hash = hash(key);

30. 30. index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;

31. 31. }

32. 32.

33. 33. // 在索引位置处插入一个新的节点

34. 34. Entry<K,V> e = tab[index];

35. 35. tab[index] = new Entry<>(hash, key, value, e);

36. 36. //容器中元素+1

37. 37. count++;

38. 38. return null;

39. 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:

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1. 1.protected void rehash() {

2. 2. int oldCapacity = table.length;

3. 3. //元素

4. 4. Entry<K,V>[] oldMap = table;

5. 5.

6. 6. //新容量=旧容量 * 2 + 1

7. 7. int newCapacity = (oldCapacity << 1) + 1;

8. 8. if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0) {

9. 9. if (oldCapacity == MAX_ARRAY_SIZE)

10. 10. return;

11. 11. newCapacity = MAX_ARRAY_SIZE;

12. 12. }

13. 13.

14. 14. //新建一个size = newCapacity 的HashTable

15. 15. Entry<K,V>[] newMap = new Entry[];

16. 16.

17. 17. modCount++;

18. 18. //重新计算阀值

19. 19. threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE + 1);

20. 20. //重新计算hashSeed

21. 21. boolean rehash = initHashSeedAsNeeded(newCapacity);

22. 22.

23. 23. table = newMap;

24. 24. //将原来的元素拷贝到新的HashTable中

25. 25. for (int i = oldCapacity ; i-- > 0 ;) {

26. 26. for (Entry<K,V> old = oldMap[i] ; old != null ; ) {

27. 27. Entry<K,V> e = old;

28. 28. old = old.next;

29. 29.

30. 30. if (rehash) {

31. 31. e.hash = hash(e.key);

32. 32. }

33. 33. int index = (e.hash & 0x7FFFFFFF) % newCapacity;

34. 34. e.next = newMap[index];

35. 35. newMap[index] = e;

36. 36. }

37. 37. }

38. 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。

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1. 1.private int hash(Object k) {

2. 2. return hashSeed ^ k.hashCode();

3. }

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。

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1. 1.public synchronized V get(Object key) {

2. 2. Entry tab[] = table;

3. 3. int hash = hash(key);

4. 4. int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;

5. 5. for (Entry<K,V> e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) {

6. 6. if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {

7. 7. return e.value;

8. 8. }

9. 9. }

10. 10. return null;

11. 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。

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1. if (key == null)

2. return putForNullKey(value);

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

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1. if (value == null) {

2. throw new NullPointerException();

3. }

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(Objectvalue)，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);

6.Hashtable和HashMap它们两个内部实现方式的数组的初始大小和扩容的方式。HashTable中hash数组默认大小是11，增加的方式是 old*2+1。HashMap中hash数组的默认大小是16，而且一定是2的指数。

Java集合---HashTable底层原理

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