【搞定Java集合框架】第6篇：HashTable 的详解

迷南。 2022-03-26 07:12 298阅读 0赞

本文主要内容来自于：http://cmsblogs.com/?p=618

本文目录：

1、定义

2、构造方法

3、主要方法

3.1 put 方法

3.2 get 方法

4、HashTable 与 HashMap 的区别

在 Java 中与有两个类都提供了一个多种用途的 hashTable 机制，它们都可以将 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。一个是上篇文章中提到的 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。它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：

  1. public class Hashtable<K,V>
  2.             extends Dictionary<K,V>
  3.             implements Map<K,V>, Cloneable, java.io.Serializable{
  5.         // ...
  6. }

从中可以看出 HashTable 继承了 Dictionary 类，实现了 Map 接口。其中 Dictionary 类是可将任何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。

Map 接口我们已经很熟悉了，就是对集合中元素的增删该查操作方法。为了对 HashTable 有更好的理解，下面再来看下 Dictionary 的类结构。

  1. package java.util;
  3. public abstract class Dictionary<K,V> {
  5.     public Dictionary() {
  6.     }
  8.     abstract public int size();
  10.     abstract public boolean isEmpty();
  12.     // 枚举集合中的键
  13.     abstract public Enumeration<K> keys();
  15.     // 枚举集合中的值
  16.     abstract public Enumeration<V> elements();
  18.     // 获取值
  19.     abstract public V get(Object key);
  21.     // 插入值
  22.     abstract public V put(K key, V value);
  24.     // 删除值
  25.     abstract public V remove(Object key);
  26. }

下面继续回到 HashTable 身上来，我们也简单的看下 HashTable 的类结构：

  1. public class Hashtable<K,V>
  2.              extends Dictionary<K,V>
  3.              implements Map<K,V>, Cloneable, java.io.Serializable {
  5.     // Entry数组：用于存放集合中的元素
  6.     private transient Entry<K,V>[] table;
  8.     // 集合中Entry键值对的数量，并不是HashTable容器的大小
  9.     private transient int count;
  11.     // 阈值
  12.     private int threshold;
  14.     // 装载因子/加载因子
  15.     private float loadFactor;
  17.     // 记录集合的修改次数：用于实现"fail-fast"快速失败机制
  18.     private transient int modCount = 0;
  20.     // ...
  22.     private static class Holder {  // ...}
  24.     private class KeySet extends AbstractSet<K> { // ...}
  26.     private class ValueCollection extends AbstractCollection<V> {  // ...}
  28.     private static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {  // ...}
  30.     private class Enumerator<T> implements Enumeration<T>, Iterator<T> {  // ...}
  32.     // ...
  33. }

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。

1、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；

2、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；

3、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”；

4、loadFactor：加载因子；

5、modCount：用来实现 “fail-fast” 机制的（也就是快速失败机制）。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个构造函数我们可以构建出一个我想要的 HashTable。

  • 构造器1：默认构造器，容量为：11，加载因子为：0.75

    public Hashtable() {

    1. this(11, 0.75f);

    }

  • 构造器2：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

    public Hashtable(int initialCapacity) {

    1. this(initialCapacity, 0.75f);

    }

  • 构造器3：用指定的初始容量和指定的加载因子构造一个新的空哈希表

    public Hashtable(int initialCapacity, float loadFactor) {

    1. // 验证初始容量
    2. if (initialCapacity < 0)
    3.     throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+ initialCapacity);
    4. // 验证加载因子
    5. if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
    6.     throw new IllegalArgumentException("Illegal Load: "+loadFactor);
    8. if (initialCapacity==0)
    9.     initialCapacity = 1;
    10. this.loadFactor = loadFactor;
    12. // 初始化table，获得大小为initialCapacity的table数组
    13. table = new Entry[initialCapacity];
    14. // 计算阀值
    15. threshold = (int)Math.min(initialCapacity * loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE + 1);
    16. // 初始化HashSeed值
    17. initHashSeedAsNeeded(initialCapacity);

    }

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。

  1. private int hash(Object k) {
  2.     return hashSeed ^ k.hashCode();
  3. }

  • 构造器4：构造一个与给定的 Map 具有相同映射关系的新哈希表。

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

    1. // 设置table容器大小，其值==t.size * 2 + 1
    2. this(Math.max(2 * t.size(), 11), 0.75f);
    3. putAll(t);

    }

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。

3.1 put 方法

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：HashTable 中的键 key 和值 value 都不可为空。

  1. public synchronized V put(K key, V value) {
  2.     // 确保value不为null
  3.     if (value == null) {
  4.         throw new NullPointerException();
  5.     }
  7.     /*
  8.      * 确保key在table[]是不重复的
  9.      * 处理过程：
  10.      * 1、计算key的hash值，确认在table[]中的索引位置
  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.      */
  13.     Entry tab[] = table;
  14.     int hash = hash(key);    // 计算key的hash值
  15.     int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;     // 确认该key的索引位置
  16.     // 迭代，寻找该key，替换
  17.     for (Entry<K,V> e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) {
  18.         if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {
  19.             V old = e.value;
  20.             e.value = value;
  21.             return old;
  22.         }
  23.     }
  25.     modCount++;
  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.         rehash();  // 扩容
  28.         tab = table;
  29.         hash = hash(key);
  30.         index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
  31.     }
  33.     // 在索引位置处插入一个新的节点
  34.     Entry<K,V> e = tab[index];
  35.     tab[index] = new Entry<>(hash, key, value, e);
  36.     // 容器中元素+1
  37.     count++;
  38.     return null;
  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。如下：

首先我们假设一个容量为 5 的 table，存在 8、10、13、16、17、21。它们在 table中 位置如下：

watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3Bjd2wxMjA2_size_16_color_FFFFFF_t_70

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。

watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3Bjd2wxMjA2_size_16_color_FFFFFF_t_70 1

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。

watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3Bjd2wxMjA2_size_16_color_FFFFFF_t_70 2

在 HashTable 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:

  1. protected void rehash() {
  2.     int oldCapacity = table.length;
  3.     // 元素
  4.     Entry<K,V>[] oldMap = table;
  6.     // 新容量 = 旧容量 * 2 + 1
  7.     int newCapacity = (oldCapacity << 1) + 1;
  8.     if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0) {
  9.         if (oldCapacity == MAX_ARRAY_SIZE)
  10.             return;
  11.         newCapacity = MAX_ARRAY_SIZE;
  12.     }
  14.     // 新建一个size = newCapacity 的HashTable
  15.     Entry<K,V>[] newMap = new Entry[];
  17.     modCount++;
  18.     // 重新计算阀值
  19.     threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE + 1);
  20.     // 重新计算hashSeed
  21.     boolean rehash = initHashSeedAsNeeded(newCapacity);
  23.     table = newMap;
  24.     // 将原来的元素拷贝到新的HashTable中
  25.     for (int i = oldCapacity ; i-- > 0 ;) {
  26.         for (Entry<K,V> old = oldMap[i] ; old != null ; ) {
  27.             Entry<K,V> e = old;
  28.             old = old.next;
  30.             if (rehash) {
  31.                 e.hash = hash(e.key);
  32.             }
  33.             int index = (e.hash & 0x7FFFFFFF) % newCapacity;
  34.             e.next = newMap[index];
  35.             newMap[index] = e;
  36.         }
  37.     }
  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 = ，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、 其实这里是我的一个疑问，在计算索引位置 index 时，HashTable 进行了一个与运算过程（hash & 0x7FFFFFFF），为什么需要做一步操作，这么做有什么好处？如果哪位知道，望指导，LZ不胜感激！！下面是计算 key 的 hash 值，这里hashSeed 发挥了作用。

  1. private int hash(Object k) {
  2.     return hashSeed ^ k.hashCode();
  3. }

3.2 get 方法

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。

  1. public synchronized V get(Object key) {
  2.     Entry tab[] = table;
  3.     int hash = hash(key);
  4.     int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
  5.     for (Entry<K,V> e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) {
  6.         if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {
  7.             return e.value;
  8.         }
  9.     }
  10.     return null;
  11. }

4、HashTable 与 HashMap 的区别

HashTable 和 HashMap 存在很多的相同点，但是它们还是有几个比较重要的不同点：

第一： 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。

第二： 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。

  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。

  1. if (value == null) {
  2.     throw new NullPointerException();
  3. }

第三： 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，但是在 Collections 类中存在一个静态方法：synchronizedMap()，该方法创建了一个线程安全的 Map 对象，并把它作为一个封装的对象来返回，所以通过 Collections 类的 synchronizedMap 方法是可以同步访问潜在的HashMap。这样又该如何选择呢？？？

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