【集合系列】- 深入淺出的分析 Hashtable
一、摘要
在集合系列的第一章,咱們了解到,Map 的實現類有 HashMap、LinkedHashMap、TreeMap、IdentityHashMap、WeakHashMap、Hashtable、Properties 等等。
本文主要從數據結構和算法層面,探討 Hashtable 的實現,如果有理解不當之處,歡迎指正。
二、簡介
Hashtable 一個元老級的集合類,早在 JDK 1.0 就誕生了,而 HashMap 誕生於 JDK 1.2,在實現上,HashMap 吸收了很多 Hashtable 的思想,雖然二者的底層數據結構都是 數組 + 鏈表 結構,具有查詢、插入、刪除快的特點,但是二者又有很多的不同。
打開 Hashtable 的源碼可以看到,Hashtable 繼承自 Dictionary,而 HashMap 繼承自 AbstractMap。
public class Hashtable<K,V>
extends Dictionary<K,V>
implements Map<K,V>, Cloneable, java.io.Serializable {
.....
}
HashMap 繼承自 AbstractMap,HashMap 類的定義如下:
public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {
.....
}
其中 Dictionary 類是一個已經被廢棄的類,翻譯過來的意思是這個類已經過時,新的實現應該實現 Map 接口而不是擴展此類,這一點我們可以從它代碼的註釋中可以看到:
/**
* <strong>NOTE: This class is obsolete. New implementations should
* implement the Map interface, rather than extending this class.</strong>
*/
public abstract
class Dictionary<K,V> {
......
}
Hashtable 和 HashMap 的底層是以數組來存儲,同時,在存儲數據通過key
計算數組下標的時候,是以哈希算法為主,因此可能會產生哈希衝突的可能性。
通俗的說呢,就是不同的key
,在計算的時候,可能會產生相同的數組下標,這個時候,如何將兩個對象放入一個數組中呢?
而解決哈希衝突的辦法,有兩種,一種開放地址方式(當發生 hash 衝突時,就繼續以此繼續尋找,直到找到沒有衝突的hash值),另一種是拉鏈方式(將衝突的元素放入鏈表)。
Java Hashtable 採用的就是第二種方式,拉鏈法!
於是,當發生不同的key
通過一系列的哈希算法計算獲取到相同的數組下標的時候,會將對象放入一個數組容器中,然後將對象以單向鏈表
的形式存儲在同一個數組下標容器中,就像鏈子一樣,掛在某個節點上,如下圖:
與 HashMap 類似,Hashtable 也包括五個成員變量:
/**由Entry對象組成的數組*/
private transient Entry[] table;
/**Hashtable中Entry對象的個數*/
private transient int count;
/**Hashtable進行擴容的閾值*/
private int threshold;
/**負載因子,默認0.75*/
private float loadFactor;
/**記錄修改的次數*/
private transient int modCount = 0;
具體各個變量含義如下:
- table:表示一個由 Entry 對象組成的鏈表數組,Entry 是一個單向鏈表,哈希表的
key-value
鍵值對都是存儲在 Entry 數組中的; - count:表示 Hashtable 的大小,用於記錄保存的鍵值對的數量;
- threshold:表示 Hashtable 的閾值,用於判斷是否需要調整 Hashtable 的容量,threshold 等於
容量 * 加載因子
; - loadFactor:表示負載因子,默認為 0.75;
- modCount:表示記錄 Hashtable 修改的次數,用來實現快速失敗拋異常處理;
接着來看看Entry
這個內部類,Entry
用於存儲鏈表數據,實現了Map.Entry
接口,本質是就是一個映射(鍵值對),源碼如下:
private static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
/**hash值*/
final int hash;
/**key表示鍵*/
final K key;
/**value表示值*/
V value;
/**節點下一個元素*/
Entry<K,V> next;
......
}
我們再接着來看看 Hashtable 初始化過程,核心源碼如下:
public Hashtable() {
this(11, 0.75f);
}
this 調用了自己的構造方法,核心源碼如下:
public Hashtable(int initialCapacity, float loadFactor) {
.....
//默認的初始大小為 11
//並且計算擴容的閾值
this.loadFactor = loadFactor;
table = new Entry<?,?>[initialCapacity];
threshold = (int)Math.min(initialCapacity * loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE + 1);
}
可以看到 HashTable 默認的初始大小為 11,如果在初始化給定容量大小,那麼 HashTable 會直接使用你給定的大小;
擴容的閾值threshold
等於initialCapacity * loadFactor
,我們在來看看 HashTable 擴容,方法如下:
protected void rehash() {
int oldCapacity = table.length;
//將舊數組長度進行位運算,然後 +1
//等同於每次擴容為原來的 2n+1
int newCapacity = (oldCapacity << 1) + 1;
//省略部分代碼......
Entry<?,?>[] newMap = new Entry<?,?>[newCapacity];
}
可以看到,HashTable 每次擴充為原來的 2n+1。
我們再來看看 HashMap,如果是執行默認構造方法,會在擴容那一步,進行初始化大小,核心源碼如下:
final Node<K,V>[] resize() {
int newCap = 0;
//部分代碼省略......
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;//默認容量為 16
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
}
可以看出 HashMap 的默認初始化大小為 16,我們再來看看,HashMap 擴容方法,核心源碼如下:
final Node<K,V>[] resize() {
//獲取舊數組的長度
Node<K,V>[] oldTab = table;
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
int newCap = 0;
//部分代碼省略......
//當進行擴容的時候,容量為 2 的倍數
newCap = oldCap << 1;
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
}
可以看出 HashMap 的擴容后的數組數量為原來的 2 倍;
也就是說 HashTable 會盡量使用素數、奇數來做數組的容量,而 HashMap 則總是使用 2 的冪作為數組的容量。
我們知道當哈希表的大小為素數時,簡單的取模哈希的結果會更加均勻,所以單從這一點上看,HashTable 的哈希表大小選擇,似乎更高明些。
Hashtable 的 hash 算法,核心代碼如下:
//直接計算key.hashCode()
int hash = key.hashCode();
//通過除法取余計算數組存放下標
// 0x7FFFFFFF 是最大的 int 型數的二進製表示
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
從源碼部分可以看出,HashTable 的 key 不能為空,否則報空指針錯誤!
但另一方面我們又知道,在取模計算時,如果模數是 2 的冪,那麼我們可以直接使用位運算來得到結果,效率要大大高於做除法。所以在 hash 計算數組下標的效率上,HashMap 卻更勝一籌,但是這也會引入了哈希分佈不均勻的問題, HashMap 為解決這問題,又對 hash 算法做了一些改動,具體我們來看看。
HashMap 的 hash 算法,核心代碼如下:
/**獲取hash值方法*/
static final int hash(Object key) {
int h;
// h = key.hashCode() 為第一步 取hashCode值(jdk1.7)
// h ^ (h >>> 16) 為第二步 高位參与運算(jdk1.7)
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);//jdk1.8
}
/**獲取數組下標方法*/
static int indexFor(int h, int length) {
//jdk1.7的源碼,jdk1.8沒有這個方法,但是實現原理一樣的
return h & (length-1); //第三步 取模運算
}
HashMap 由於使用了2的冪次方,所以在取模運算時不需要做除法,只需要位的與運算就可以了。但是由於引入的 hash 衝突加劇問題,HashMap 在調用了對象的 hashCode 方法之後,又做了一些高位運算,也就是第二步方法,來打散數據,讓哈希的結果更加均勻。
與此同時,在 jdk1.8 中 HashMap 還引進來紅黑樹實現,當衝突鏈表長度大於 8 的時候,會將鏈表結構改變成紅黑樹結構,讓查詢變得更快,具體實現可以參見《集合系列》中的 HashMap 分析。
三、常用方法介紹
3.1、put方法
put 方法是將指定的 key, value 對添加到 map 里。
put 流程圖如下:
打開 HashTable 的 put 方法,源碼如下:
public synchronized V put(K key, V value) {
//當 value 值為空的時候,拋異常!
if (value == null) {
throw new NullPointerException();
}
Entry<?,?> tab[] = table;
//通過key 計算存儲下標
int hash = key.hashCode();
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
//循環遍曆數組鏈表
//如果有相同的key並且hash相同,進行覆蓋處理
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;
}
}
//加入數組鏈表中
addEntry(hash, key, value, index);
return null;
}
put 方法中的 addEntry 方法,源碼如下:
private void addEntry(int hash, K key, V value, int index) {
//新增修改次數
modCount++;
Entry<?,?> tab[] = table;
if (count >= threshold) {
//數組容量大於擴容閥值,進行擴容
rehash();
tab = table;
//重新計算對象存儲下標
hash = key.hashCode();
index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
}
//將對象存儲在數組中
Entry<K,V> e = (Entry<K,V>) tab[index];
tab[index] = new Entry<>(hash, key, value, e);
count++;
}
addEntry 方法中的 rehash 方法,源碼如下:
protected void rehash() {
int oldCapacity = table.length;
Entry<?,?>[] oldMap = table;
//每次擴容為原來的 2n+1
int newCapacity = (oldCapacity << 1) + 1;
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0) {
if (oldCapacity == MAX_ARRAY_SIZE)
//大於最大閥值,不再擴容
return;
newCapacity = MAX_ARRAY_SIZE;
}
Entry<?,?>[] newMap = new Entry<?,?>[newCapacity];
modCount++;
//重新計算擴容閥值
threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE + 1);
table = newMap;
//將舊數組中的數據複製到新數組中
for (int i = oldCapacity ; i-- > 0 ;) {
for (Entry<K,V> old = (Entry<K,V>)oldMap[i] ; old != null ; ) {
Entry<K,V> e = old;
old = old.next;
int index = (e.hash & 0x7FFFFFFF) % newCapacity;
e.next = (Entry<K,V>)newMap[index];
newMap[index] = e;
}
}
}
總結流程如下:
- 1、通過 key 計算對象存儲在數組中的下標;
- 2、如果鏈表中有 key,直接進行新舊值覆蓋處理;
- 3、如果鏈表中沒有 key,判斷是否需要擴容,如果需要擴容,先擴容,再插入數據;
有一個值得注意的地方是 put 方法加了synchronized
關鍵字,所以,在同步操作的時候,是線程安全的。
3.2、get方法
get 方法根據指定的 key 值返回對應的 value。
get 流程圖如下:
打開 HashTable 的 get 方法,源碼如下:
public synchronized V get(Object key) {
Entry<?,?> tab[] = table;
//通過key計算節點存儲下標
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;
}
同樣,有一個值得注意的地方是 get 方法加了synchronized
關鍵字,所以,在同步操作的時候,是線程安全的。
3.3、remove方法
remove 的作用是通過 key 刪除對應的元素。
remove 流程圖如下:
打開 HashTable 的 remove 方法,源碼如下:
public synchronized V remove(Object key) {
Entry<?,?> tab[] = table;
//通過key計算節點存儲下標
int hash = key.hashCode();
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
Entry<K,V> e = (Entry<K,V>)tab[index];
//循環遍歷鏈表,通過hash和key判斷鍵是否存在
//如果存在,直接將改節點設置為空,並從鏈表上移除
for(Entry<K,V> prev = null ; e != null ; prev = e, e = e.next) {
if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {
modCount++;
if (prev != null) {
prev.next = e.next;
} else {
tab[index] = e.next;
}
count--;
V oldValue = e.value;
e.value = null;
return oldValue;
}
}
return null;
}
同樣,有一個值得注意的地方是 remove 方法加了synchronized
關鍵字,所以,在同步操作的時候,是線程安全的。
四、總結
總結一下 Hashtable 與 HashMap 的聯繫與區別,內容如下:
- 1、雖然 HashMap 和 Hashtable 都實現了 Map 接口,但 Hashtable 繼承於 Dictionary 類,而 HashMap 是繼承於 AbstractMap;
- 2、HashMap 可以允許存在一個為 null 的 key 和任意個為 null 的 value,但是 HashTable 中的 key 和 value 都不允許為 null;
- 3、Hashtable 的方法是同步的,因為在方法上加了 synchronized 同步鎖,而 HashMap 是非線程安全的;
儘管,Hashtable 雖然是線程安全的,但是我們一般不推薦使用它,因為有比它更高效、更好的選擇 ConcurrentHashMap,在後面我們也會講到它。
最後,引入來自 HashTable 的註釋描述:
If a thread-safe implementation is not needed, it is recommended to use HashMap in place of Hashtable. If a thread-safe highly-concurrent implementation is desired, then it is recommended to use java.util.concurrent.ConcurrentHashMap in place of Hashtable.
簡單來說就是,如果你不需要線程安全,那麼使用 HashMap,如果需要線程安全,那麼使用 ConcurrentHashMap。
HashTable 已經被淘汰了,不要在新的代碼中再使用它。
五、參考
1、JDK1.7&JDK1.8 源碼
2、
作者:炸雞可樂
出處:
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