Java集合之HashMap、LinkedHashMap、HashTable
讨论集合关注的问题：
- 底层数据结构
- 增删改查方式
- 初始容量，扩容方式，扩容时机
- 线程安全与否
- 是否允许空，是否允许重复，是否有序
我们都知道Collection接口派生出三大类的子接口List，Set和Queue。今天来看看另一个派系，没错就是Map。先来复习一下这张集合关系网（不全）：
可以看到，Map作为Collection的“生产者”，在另一种形式也就是通常说的非线性结构集合——键值对，具有很好的拓展空间。这个系列主要用来存储非线性的集合数据类型。常用的有HashMap，HashTable，TreeMap等。下面详细讨论其特点和源码分析。一般在开发中，我们常用Map接口来动态使用这些类。
HashMap
作为最常用的Map型数据结构，HashMap采用了Hash的方式来存储数据，能够快速的获取存储位置的数据。
来看源码，HashMap继承自AbstractMap抽象类，同时实现了Map，Cloneable和Serializable接口，说明HashMap可以实现克隆和序列化等操作。其内部实现了Node<K,V>的内部类，来存放数据。
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash;
final K key;
V value;
Node<K,V> next;
Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
this.hash = hash;
this.key = key;
this.value = value;
this.next = next;
}
public final K getKey() { return key; }
public final V getValue() { return value; }
public final String toString() { return key + "=" + value; }
public final int hashCode() {
return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
}
public final V setValue(V newValue) {
V oldValue = value;
value = newValue;
return oldValue;
}
public final boolean equals(Object o) {
if (o == this)
return true;
if (o instanceof Map.Entry) {
Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>)o;
if (Objects.equals(key, e.getKey()) &&
Objects.equals(value, e.getValue()))
return true;
}
return false;
}
}
HashMap可以指定容量大小和一个加载因子进行初始化，默认的容量大小为16，加载因子为0.75；这里加载因子loadFactor的概念是新出现的，表示这个散列表中使用的程度，当超过容量的这个百分比值就会进行扩容。
HashMap的内部使用一个table数组进行键的维护，这个表也就是hash的桶（即初始容量大小），不同的位置存放着不同的hash值的数据。其中，多个hash值相同的元素，将会使用一个链表的形式连接在一起，使用偏移量作为标记。
HashMap中的Hash函数如下：
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
上述说明中，HashMap在进行初始化时，会使用容量大小进行table的初始化，但是这个表的大小是选择满足大于这个初始值的最小2的幂来实现的，我们在构造函数中可以看出来：
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
initialCapacity);
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
loadFactor);
this.loadFactor = loadFactor;
this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}
static final int tableSizeFor(int cap) {
int n = cap - 1;
n |= n >>> 1; //|=相当于||操作 >>>无符号右移，忽略符号位，空位都以0补齐
n |= n >>> 2;
n |= n >>> 4;
n |= n >>> 8;
n |= n >>> 16;
return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}
HashMap和元素存取实现过程：获取到元素的key的哈希值，然后通过哈希值放入到table不同的位置中，如果该位置为null，表示第一个放入的；否则遍历该位置的链表，将这个键放到最前（在jdk1.8之前是插入头部的，在jdk1.8中是插入尾部的）。当然这个过程要比较键相同的hash值的value是否一致。【如下，在链的长度超过8时，将会转为红黑树】
public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
Node<K,V> e; K k;
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null);
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e;
}
}
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
++modCount;
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
HashMap的读取过程和存储过程类似，先获取key的哈希值，在table中对应的位置；然后遍历该链获取相同的key 的值即可。HashMap删除数据时，也是和上述类似过程，不过在清空数据时，则直接把table中的值全都置为Null，并没有将链中的节点也都置为null。
HashMap中能够将Key和Value作为单独的集合，返回一个Collection的引用，这一方法的支持是源自其父类AbstractMap中实现了Map接口的keySet和Values方法。其中Key返回的是一个集合，不会有重复值，而values返回可以有重复值。
LinkedHashMap
LinkedHashMap直接继承自HashMap类，实现了Map接口。从名字中，可以看出来，LinkedHashMap也是一种HashMap，只是其内部维护了一个双向链表来存储数据。其基本的存取和删除方式与HashMap并无太大差异。
其实HashMap是无序的，通过迭代器所得元素的顺序并不是它们最初放置到HashMap的顺序。在它的内部，使用继承自HashMap中Node的Entry链，来维护数据的有序性，也就是牺牲了时间和空间来维护。在源代码中，可以看到有一个额外的head和一个tail元素的指针，分别指向Map的两端。
AccessOrder字段，是用来标记访问顺序的。true表示按照访问顺序迭代，false时表示按照插入顺序。LinkedHashMap同样是非线程同步的Map接口。
static class Entry<K,V> extends HashMap.Node<K,V> {
Entry<K,V> before, after; //额外的指针，维护顺序
Entry(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) { //next为内部的指向链
super(hash, key, value, next);
}
}
transient LinkedHashMap.Entry<K,V> head;
transient LinkedHashMap.Entry<K,V> tail;
final boolean accessOrder;
LinkedHashMap的存取。访问get时，每次访问到一个元素时，先将其指针修改，相当于放置到最末的位置，然后返回该数据的值。put方法直接继承父类的方法。
public V get(Object key) {
Node<K,V> e;
if ((e = getNode(hash(key), key)) == null)
return null;
if (accessOrder)
afterNodeAccess(e);
return e.value;
}
void afterNodeAccess(Node<K,V> e) { // move node to last
LinkedHashMap.Entry<K,V> last;
if (accessOrder && (last = tail) != e) {
LinkedHashMap.Entry<K,V> p =
(LinkedHashMap.Entry<K,V>)e, b = p.before, a = p.after;
p.after = null;
if (b == null)
head = a;
else
b.after = a;
if (a != null)
a.before = b;
else
last = b;
if (last == null)
head = p;
else {
p.before = last;
last.after = p;
}
tail = p;
++modCount;
}
}
可以用一张图，来表示LinkedHashMap的内部结构
说明，在插入元素时，jdk1.8后，元素大于8就会转为红黑树进行存储，那么这个双向链表维护的同样也是插入到红黑树的顺序。LinkedHashMap的这个特性可以用来实现LRU算法，可以参考底部的博文。
HashTable
和上述两类集合一样，HashTable同样是Map系列的。HashTable的实现和HashMap非常类似，他们的关系有点向ArrayList和Vector。
HashTable继承自Dictionary类，实现Map、Cloneable/Serializable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 为存储元素的表，每个元素是一种继承自Map.Entry类的Entry<K,V>类型。初始化容量和加载因子的概念和HashMap类似。
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”
private transient Entry<?,?>[] table;
private transient int count;
public Hashtable(int initialCapacity, float loadFactor) {
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
initialCapacity);
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal Load: "+loadFactor);
if (initialCapacity==0)
initialCapacity = 1;
this.loadFactor = loadFactor;
table = new Entry<?,?>[initialCapacity];
threshold = (int)Math.min(initialCapacity * loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE + 1);
}
public Hashtable() {
this(11, 0.75f); //默认容量为11，加载因子为0.75
}
在插入元素事，HashTable不允许Key和Value为空，这一点和HashMap不一样。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。值得注意的是，jdk1.8中，HashTable和HashMap不一样，HashTable使用key的hashcode作为哈希值。
public synchronized V get(Object key) {
Entry<?,?> tab[] = table;
int hash = key.hashCode();
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
for (Entry<?,?> e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) {
if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {
return (V)e.value;
}
}
return null;
}
插入操作如下，找到对应的键，插入到末尾。
public synchronized V put(K key, V value) {
// Make sure the value is not null
if (value == null) {
throw new NullPointerException();
}
// Makes sure the key is not already in the hashtable.
Entry<?,?> tab[] = table;
int hash = key.hashCode();
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
@SuppressWarnings("unchecked")
Entry<K,V> entry = (Entry<K,V>)tab[index];
for(; entry != null ; entry = entry.next) {
if ((entry.hash == hash) && entry.key.equals(key)) {
V old = entry.value;
entry.value = value;
return old;
}
}
addEntry(hash, key, value, index);
return null;
}
和HashMap还有一点不一样的是，HashTable大部分方法被synchronized修饰了，所以其事线程安全的。
总结
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LinkedHashMap在HashMap的数组加链表结构的基础上，将所有节点连成了一个双向链表。当主动传入的accessOrder参数为false时, 使用put方法时，新加入元素不会被加入双向链表，get方法使用时也不会把元素放到双向链表尾部。
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对比HashTable和HashMap：
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我们从他们的定义就可以看出他们的不同，HashTable基于Dictionary类，而HashMap是基于AbstractMap。Dictionary是什么？它是任何可将键映射到相应值的类的抽象父类，而AbstractMap是基于Map接口的骨干实现，它以最大限度地减少实现此接口所需的工作。
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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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HashTable线程安全，HashMap快速失效，LinkedHashMap也非线程安全
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