HashMap、Hashtable、ConcurrentHashMap的原理與區別

下面直接來乾貨，先說這三個Map的區別：

HashTable

• 底層陣列+連結串列實現，無論key還是value都不能為null，執行緒安全，實現執行緒安全的方式是在修改資料時鎖住整個HashTable，效率低，ConcurrentHashMap做了相關優化
• 初始size為11，擴容：newsize = olesize*2+1
• 計算index的方法：index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length

HashMap

• 底層陣列+連結串列實現，可以儲存null鍵和null值，執行緒不安全
• 初始size為16，擴容：newsize = oldsize*2，size一定為2的n次冪
• 擴容針對整個Map，每次擴容時，原來陣列中的元素依次重新計算存放位置，並重新插入
• 插入元素後才判斷該不該擴容，有可能無效擴容（插入後如果擴容，如果沒有再次插入，就會產生無效擴容）
• 當Map中元素總數超過Entry陣列的75%，觸發擴容操作，為了減少連結串列長度，元素分配更均勻
• 計算index方法：index = hash & (tab.length – 1)

 

HashMap的初始值還要考慮載入因子:

•  雜湊衝突：若干Key的雜湊值按陣列大小取模後，如果落在同一個陣列下標上，將組成一條Entry鏈，對Key的查詢需要遍歷Entry鏈上的每個元素執行equals()比較。
• 載入因子：為了降低雜湊衝突的概率，預設當HashMap中的鍵值對達到陣列大小的75%時，即會觸發擴容。因此，如果預估容量是100，即需要設定100/0.75＝134的陣列大小。
• 空間換時間：如果希望加快Key查詢的時間，還可以進一步降低載入因子，加大初始大小，以降低雜湊衝突的概率。

HashMap和Hashtable都是用hash演算法來決定其元素的儲存，因此HashMap和Hashtable的hash表包含如下屬性：

• 容量（capacity）：hash表中桶的數量
• 初始化容量（initial capacity）：建立hash表時桶的數量，HashMap允許在構造器中指定初始化容量
• 尺寸（size）：當前hash表中記錄的數量
• 負載因子（load factor）：負載因子等於“size/capacity”。負載因子為0，表示空的hash表，0.5表示半滿的雜湊表，依此類推。輕負載的雜湊表具有衝突少、適宜插入與查詢的特點（但是使用Iterator迭代元素時比較慢）

除此之外，hash表裡還有一個“負載極限”，“負載極限”是一個0～1的數值，“負載極限”決定了hash表的最大填滿程度。當hash表中的負載因子達到指定的“負載極限”時，hash表會自動成倍地增加容量（桶的數量），並將原有的物件重新分配，放入新的桶內，這稱為rehashing。

HashMap和Hashtable的構造器允許指定一個負載極限，HashMap和Hashtable預設的“負載極限”為0.75，這表明當該hash表的3/4已經被填滿時，hash表會發生rehashing。

“負載極限”的預設值（0.75）是時間和空間成本上的一種折中：

• 較高的“負載極限”可以降低hash表所佔用的記憶體空間，但會增加查詢資料的時間開銷，而查詢是最頻繁的操作（HashMap的get()與put()方法都要用到查詢）
• 較低的“負載極限”會提高查詢資料的效能，但會增加hash表所佔用的記憶體開銷

程式猿可以根據實際情況來調整“負載極限”值。

ConcurrentHashMap

• 底層採用分段的陣列+連結串列實現，執行緒安全
• 通過把整個Map分為N個Segment，可以提供相同的執行緒安全，但是效率提升N倍，預設提升16倍。(讀操作不加鎖，由於HashEntry的value變數是 volatile的，也能保證讀取到最新的值。)
• Hashtable的synchronized是針對整張Hash表的，即每次鎖住整張表讓執行緒獨佔，ConcurrentHashMap允許多個修改操作併發進行，其關鍵在於使用了鎖分離技術
• 有些方法需要跨段，比如size()和containsValue()，它們可能需要鎖定整個表而而不僅僅是某個段，這需要按順序鎖定所有段，操作完畢後，又按順序釋放所有段的鎖
• 擴容：段內擴容（段內元素超過該段對應Entry陣列長度的75%觸發擴容，不會對整個Map進行擴容），插入前檢測需不需要擴容，有效避免無效擴容

 

Hashtable和HashMap都實現了Map介面，但是Hashtable的實現是基於Dictionary抽象類的。Java5提供了ConcurrentHashMap，它是HashTable的替代，比HashTable的擴充套件性更好。

HashMap基於雜湊思想，實現對資料的讀寫。當我們將鍵值對傳遞給put()方法時，它呼叫鍵物件的hashCode()方法來計算hashcode，然後找到bucket位置來儲存值物件。當獲取物件時，通過鍵物件的equals()方法找到正確的鍵值對，然後返回值物件。HashMap使用連結串列來解決碰撞問題，當發生碰撞時，物件將會儲存在連結串列的下一個節點中。HashMap在每個連結串列節點中儲存鍵值對物件。當兩個不同的鍵物件的hashcode相同時，它們會儲存在同一個bucket位置的連結串列中，可通過鍵物件的equals()方法來找到鍵值對。如果連結串列大小超過閾值（TREEIFY_THRESHOLD,8），連結串列就會被改造為樹形結構。

在HashMap中，null可以作為鍵，這樣的鍵只有一個，但可以有一個或多個鍵所對應的值為null。當get()方法返回null值時，即可以表示HashMap中沒有該key，也可以表示該key所對應的value為null。因此，在HashMap中不能由get()方法來判斷HashMap中是否存在某個key，應該用containsKey()方法來判斷。而在Hashtable中，無論是key還是value都不能為null。

Hashtable是執行緒安全的，它的方法是同步的，可以直接用在多執行緒環境中。而HashMap則不是執行緒安全的，在多執行緒環境中，需要手動實現同步機制。

Hashtable與HashMap另一個區別是HashMap的迭代器（Iterator）是fail-fast迭代器，而Hashtable的enumerator迭代器不是fail-fast的。所以當有其它執行緒改變了HashMap的結構（增加或者移除元素），將會丟擲ConcurrentModificationException，但迭代器本身的remove()方法移除元素則不會丟擲ConcurrentModificationException異常。但這並不是一個一定發生的行為，要看JVM。

先看一下簡單的類圖：

  

從類圖中可以看出來在儲存結構中ConcurrentHashMap比HashMap多出了一個類Segment，而Segment是一個可重入鎖。

ConcurrentHashMap是使用了鎖分段技術來保證執行緒安全的。

鎖分段技術：首先將資料分成一段一段的儲存，然後給每一段資料配一把鎖，當一個執行緒佔用鎖訪問其中一個段資料的時候，其他段的資料也能被其他執行緒訪問。 

ConcurrentHashMap提供了與Hashtable和SynchronizedMap不同的鎖機制。Hashtable中採用的鎖機制是一次鎖住整個hash表，從而在同一時刻只能由一個執行緒對其進行操作；而ConcurrentHashMap中則是一次鎖住一個桶。

ConcurrentHashMap預設將hash表分為16個桶，諸如get、put、remove等常用操作只鎖住當前需要用到的桶。這樣，原來只能一個執行緒進入，現在卻能同時有16個寫執行緒執行，併發效能的提升是顯而易見的。