Java中的HashMap和HashTable到底哪不同？

HashMap和HashTable有什麼不同？在面試和被面試的過程中，我問過也被問過這個問題，也見過了不少回答，今天決定寫一寫自己心目中的理想答案。

程式碼版本

JDK每一版本都在改進。本文討論的HashMap和HashTable基於JDK 1.7.0_67。原始碼見這裡

1. 時間

HashTable產生於JDK 1.1，而HashMap產生於JDK 1.2。從時間的維度上來看，HashMap要比HashTable出現得晚一些。

2. 作者

以下是HashTable的作者：

以下程式碼及註釋來自java.util.HashTable

* @author  Arthur van Hoff
* @author  Josh Bloch
* @author  Neal Gafter

以下是HashMap的作者：

以下程式碼及註釋來自java.util.HashMap

 * @author  Doug Lea
 * @author  Josh Bloch
 * @author  Arthur van Hoff
 * @author  Neal Gafter

可以看到HashMap的作者多了大神Doug Lea。不瞭解Doug Lea的，可以看這裡。

3. 對外的介面（API）

HashMap和HashTable都是基於雜湊表來實現鍵值對映的工具類。討論他們的不同，我們首先來看一下他們暴露在外的API有什麼不同。

3.1 Public Method

下面兩張圖，我畫出了HashMap和HashTable的類繼承體系，並列出了這兩個類的可供外部呼叫的公開方法。

從圖中可以看出，兩個類的繼承體系有些不同。雖然都實現了Map、Cloneable、Serializable三個介面。但是HashMap繼承自抽象類AbstractMap，而HashTable繼承自抽象類Dictionary。其中Dictionary類是一個已經被廢棄的類，這一點我們可以從它程式碼的註釋中看到：

以下程式碼及註釋來自java.util.Dictionary

 * <strong>NOTE: This class is obsolete.  New implementations should
 * implement the Map interface, rather than extending this class.</strong>

同時我們看到HashTable比HashMap多了兩個公開方法。一個是elements，這來自於抽象類Dictionary，鑑於該類已經廢棄，所以這個方法也就沒什麼用處了。另一個多出來的方法是contains，這個多出來的方法也沒什麼用，因為它跟containsValue方法功能是一樣的。程式碼為證：

以下程式碼及註釋來自java.util.HashTable

 public synchronized boolean contains(Object value) {
     if (value == null) {
         throw new NullPointerException();
     }

     Entry tab[] = table;
     for (int i = tab.length ; i-- > 0 ; ) {
         for (Entry<K,V> e = tab[i] ; e != null ; e = e.next) {
             if (e.value.equals(value)) {
                 return true;
             }
         }
     }
     return false;
 }

 public boolean containsValue(Object value) {
     return contains(value);
 }

所以從公開的方法上來看，這兩個類提供的，是一樣的功能。都提供鍵值對映的服務，可以增、刪、查、改鍵值對，可以對建、值、鍵值對提供遍歷檢視。支援淺拷貝，支援序列化。

3.2 Null Key & Null Value

HashMap是支援null鍵和null值的，而HashTable在遇到null時，會丟擲NullPointerException異常。這並不是因為HashTable有什麼特殊的實現層面的原因導致不能支援null鍵和null值，這僅僅是因為HashMap在實現時對null做了特殊處理，將null的hashCode值定為了0，從而將其存放在雜湊表的第0個bucket中。我們一put方法為例，看一看程式碼的細節：

以下程式碼及註釋來自java.util.HashTable

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

    // 如果value為null，丟擲NullPointerException
    if (value == null) {
        throw new NullPointerException();
    }

    // 如果key為null，在呼叫key.hashCode()時丟擲NullPointerException

    // ...
}

以下程式碼及註釋來自java.util.HasMap

public V put(K key, V value) {
    if (table == EMPTY_TABLE) {
        inflateTable(threshold);
    }
    // 當key為null時，呼叫putForNullKey特殊處理
    if (key == null)
        return putForNullKey(value);
    // ...
}

private V putForNullKey(V value) {
    // key為null時，放到table[0]也就是第0個bucket中
    for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
        if (e.key == null) {
            V oldValue = e.value;
            e.value = value;
            e.recordAccess(this);
            return oldValue;
        }
    }
    modCount++;
    addEntry(0, null, value, 0);
    return null;
}

4. 實現原理

本節討論HashMap和HashTable在資料結構和演算法層面，有什麼不同。

4.1 資料結構

HashMap和HashTable都使用雜湊表來儲存鍵值對。在資料結構上是基本相同的，都建立了一個繼承自Map.Entry的私有的內部類Entry，每一個Entry物件表示儲存在雜湊表中的一個鍵值對。

Entry物件唯一表示一個鍵值對，有四個屬性：

-K key 鍵物件
-V value 值物件
-int hash 鍵物件的hash值
-Entry entry 指向連結串列中下一個Entry物件，可為null，表示當前Entry物件在連結串列尾部

可以說，有多少個鍵值對，就有多少個Entry物件，那麼在HashMap和HashTable中是怎麼儲存這些Entry物件，以方便我們快速查詢和修改的呢？請看下圖。

上圖畫出的是一個桶數量為8，存有5個鍵值對的HashMap/HashTable的記憶體佈局情況。可以看到HashMap/HashTable內部建立有一個Entry型別的引用陣列，用來表示雜湊表，陣列的長度，即是雜湊桶的數量。而陣列的每一個元素都是一個Entry引用，從Entry物件的屬性裡，也可以看出其是連結串列的節點，每一個Entry物件內部又含有另一個Entry物件的引用。

這樣就可以得出結論，HashMap/HashTable內部用Entry陣列實現雜湊表，而對於對映到同一個雜湊桶（陣列的同一個位置）的鍵值對，使用Entry連結串列來儲存(解決hash衝突)。

以下程式碼及註釋來自java.util.HashTable

/**
 * The hash table data.
 */
private transient Entry<K,V>[] table;

以下程式碼及註釋來自java.util.HashMap

/**
 * The table, resized as necessary. Length MUST Always be a power of two.
 */
transient Entry<K,V>[] table = (Entry<K,V>[]) EMPTY_TABLE;

從程式碼可以看到，對於雜湊桶的內部表示，兩個類的實現是一致的。

4.2 演算法

上一小節已經說了用來表示雜湊表的內部資料結構。HashMap/HashTable還需要有演算法來將給定的鍵key，對映到確定的hash桶（陣列位置）。需要有演算法在雜湊桶內的鍵值對多到一定程度時，擴充雜湊表的大小（陣列的大小）。本小節比較這兩個類在演算法層面有哪些不同。

初始容量大小和每次擴充容量大小的不同。先看程式碼：

以下程式碼及註釋來自java.util.HashTable

// 雜湊表預設初始大小為11
public Hashtable() {
    this(11, 0.75f);
}

protected void rehash() {
    int oldCapacity = table.length;
    Entry<K,V>[] oldMap = table;

    // 每次擴容為原來的2n+1
    int newCapacity = (oldCapacity << 1) + 1;
    // ...
}

以下程式碼及註釋來自java.util.HashMap

// 雜湊表預設初始大小為2^4=16
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    // 每次擴充為原來的2n 
    if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
       resize(2 * table.length);
}

可以看到HashTable預設的初始大小為11，之後每次擴充為原來的2n+1。HashMap預設的初始化大小為16，之後每次擴充為原來的2倍。還有我沒列出程式碼的一點，就是如果在建立時給定了初始化大小，那麼HashTable會直接使用你給定的大小，而HashMap會將其擴充為2的冪次方大小。

也就是說HashTable會盡量使用素數、奇數。而HashMap則總是使用2的冪作為雜湊表的大小。我們知道當雜湊表的大小為素數時，簡單的取模雜湊的結果會更加均勻（具體證明，見這篇文章），所以單從這一點上看，HashTable的雜湊表大小選擇，似乎更高明些。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。所以從hash計算的效率上，又是HashMap更勝一籌。

所以，事實就是HashMap為了加快hash的速度，將雜湊表的大小固定為了2的冪。當然這引入了雜湊分佈不均勻的問題，所以HashMap為解決這問題，又對hash演算法做了一些改動。具體我們來看看，在獲取了key物件的hashCode之後，HashTable和HashMap分別是怎樣將他們hash到確定的雜湊桶（Entry陣列位置）中的。

以下程式碼及註釋來自java.util.HashTable

// hash 不能超過Integer.MAX_VALUE 所以要取其最小的31個bit
int hash = hash(key);
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;

// 直接計算key.hashCode()
private int hash(Object k) {
    // hashSeed will be zero if alternative hashing is disabled.
    return hashSeed ^ k.hashCode();
}

以下程式碼及註釋來自java.util.HashMap
int hash = hash(key);
int i = indexFor(hash, table.length);

// 在計算了key.hashCode()之後，做了一些位運算來減少雜湊衝突
final int hash(Object k) {
    int h = hashSeed;
    if (0 != h && k instanceof String) {
        return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);
    }

    h ^= k.hashCode();

    // This function ensures that hashCodes that differ only by
    // constant multiples at each bit position have a bounded
    // number of collisions (approximately 8 at default load factor).
    h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
    return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}

// 取模不再需要做除法
static int indexFor(int h, int length) {
    // assert Integer.bitCount(length) == 1 : "length must be a non-zero power of 2";
    return h & (length-1);
}

正如我們所言，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在呼叫了物件的hashCode方法之後，又做了一些位運算在打散資料。關於這些位計算為什麼可以打散資料的問題，本文不再展開了。感興趣的可以看這裡。

如果你有細心讀程式碼，還可以發現一點，就是HashMap和HashTable在計算hash時都用到了一個叫hashSeed的變數。這是因為對映到同一個hash桶內的Entry物件，是以連結串列的形式存在的，而連結串列的查詢效率比較低，所以HashMap/HashTable的效率對雜湊衝突非常敏感，所以可以額外開啟一個可選hash（hashSeed），從而減少雜湊衝突。因為這是兩個類相同的一點，所以本文不再展開了，感興趣的看這裡。事實上，這個優化在JDK 1.8中已經去掉了，因為JDK 1.8中，對映到同一個雜湊桶（陣列位置）的Entry物件，使用了紅黑樹來儲存，從而大大加速了其查詢效率。

5. 執行緒安全

我們說HashTable是同步的，HashMap不是，也就是說HashTable在多執行緒使用的情況下，不需要做額外的同步，而HashMap則不行。那麼HashTable是怎麼做到的呢？

以下程式碼及註釋來自java.util.HashTable

public synchronized V get(Object key) {
    Entry tab[] = table;
    int hash = hash(key);
    int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
    for (Entry<K,V> e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) {
        if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {
            return e.value;
        }
    }
    return null;
}

public Set<K> keySet() {
    if (keySet == null)
        keySet = Collections.synchronizedSet(new KeySet(), this);
    return keySet;
}

可以看到，也比較簡單，就是公開的方法比如get都使用了synchronized描述符。而遍歷檢視比如keySet都使用了Collections.synchronizedXXX進行了同步包裝。

6. 程式碼風格

從我的品位來看，HashMap的程式碼要比HashTable整潔很多。下面這段HashTable的程式碼，我就覺著有點混亂，不太能接受這種程式碼複用的方式。

以下程式碼及註釋來自java.util.HashTable

/**
 * A hashtable enumerator class.  This class implements both the
 * Enumeration and Iterator interfaces, but individual instances
 * can be created with the Iterator methods disabled.  This is necessary
 * to avoid unintentionally increasing the capabilities granted a user
 * by passing an Enumeration.
 */
private class Enumerator<T> implements Enumeration<T>, Iterator<T> {
    Entry[] table = Hashtable.this.table;
    int index = table.length;
    Entry<K,V> entry = null;
    Entry<K,V> lastReturned = null;
    int type;

    /**
     * Indicates whether this Enumerator is serving as an Iterator
     * or an Enumeration.  (true -> Iterator).
     */
    boolean iterator;

    /**
     * The modCount value that the iterator believes that the backing
     * Hashtable should have.  If this expectation is violated, the iterator
     * has detected concurrent modification.
     */
    protected int expectedModCount = modCount;

    Enumerator(int type, boolean iterator) {
        this.type = type;
        this.iterator = iterator;
    }

    //...

}

7. HashTable已經被淘汰了，不要在程式碼中再使用它。

以下描述來自於HashTable的類註釋：

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，如果你不需要執行緒安全，那麼使用HashMap，如果需要執行緒安全，那麼使用ConcurrentHashMap。HashTable已經被淘汰了，不要在新的程式碼中再使用它。

8. 持續優化

雖然HashMap和HashTable的公開介面應該不會改變，或者說改變不頻繁。但每一版本的JDK，都會對HashMap和HashTable的內部實現做優化，比如上文曾提到的JDK 1.8的紅黑樹優化。所以，儘可能的使用新版本的JDK吧，除了那些炫酷的新功能，普通的API也會有效能上有提升。

為什麼HashTable已經淘汰了，還要優化它？因為有老的程式碼還在使用它，所以優化了它之後，這些老的程式碼也能獲得效能提升。