HashMapHashtableConcurrentHashMap等深入分析

Posted 2023-02-14 lz的博客

Map用于存储“key-value”元素对，它将一个key映射到一个而且只能是唯一的一个value。Map可以使用多种实现方式，HashMap的实现采用的是Hash表；而TreeMap采用的是红黑树。

1、HashMap的实现原理：

HashMap使用hash的方式实现。而hash表最常见的实现方式就是数组+链表的形式。Hash表结合了数组和链表两者的优点，数组寻址容易但插入删除困难，而链表寻址困难但插入删除容易。HashMap其实就是一个“链表的数组”。

上图是HashMap的结构示意图。HashMap底层就是一个数组，而数组中的每一项又是一个链表。当HashMap新建时，就会初始化数组，Entry就是数组中的元素。而一个元素到底该存在什么位置是怎么确定的呢？一般情况是通过hash(key)&(len-1)获得的结果表示数组的下标，也就是元素的key的哈希值对数组长度取模得到。如果通过此方法获取到相同的下标，则会根据Entry来形成链表。Entry是HashMap中的一个静态内部类，它包括key、value、next等属性，其中next的作用是指向下一个Entry。打个比方， 第一个键值对A进来，通过计算其key的hash得到的index=0，记做:Entry[0] = A。一会后又进来一个键值对B，通过计算其index也等于0，现在怎么办？HashMap会这样做:B.next = A,Entry[0] = B,如果又进来C,index也等于0,那么C.next = B,Entry[0] = C；这样我们发现index=0的地方其实存取了A,B,C三个键值对,他们通过next这个属性链接在一起。所以疑问不用担心。也就是说数组中存储的是最后插入的元素。

HashMap里面也包含一些优化方面的实现。比如：Entry[]的长度一定后，随着map里面数据的越来越长，这样同一个index的链就会很长，会不会影响性能？HashMap里面设置一个负载因子（也称为容客率），随着map的size越来越大，Entry[]会以一定的规则加长长度。

2、HashMap的存取实现：

   存储操作：

public V put(K key, V value)    
        return putImpl(key, value);   
       
    V putImpl(K key, V value)    
        Entry<K,V> entry;   
        // HashMap允许存放null键和null值。   
        if(key == null)    
<span style="white-space:pre">	</span>    // 当key为null时，调用putForNullKey方法，将value放置在数组第一个位置。   
            entry = findNullKeyEntry();   
            if (entry == null)    
                modCount++;   
                entry = createHashedEntry(null, 0, 0);   
                if (++elementCount > threshold)    
                    rehash();   
                   
               
         else    
            // 根据key的hashCode重新计算hash值。   
            int hash = key.hashCode();   
            // 搜索指定hash值所对应table中的索引。   
            int index = hash & (elementData.length - 1);   
            entry = findNonNullKeyEntry(key, index, hash);   
            if (entry == null)    
                modCount++;   
                entry = createHashedEntry(key, index, hash);   
                if (++elementCount > threshold)    
                    rehash();   
                   
               
            if ((cache != null) && (hash >> CACHE_BIT_SIZE == 0)   
                    && (key instanceof Integer))    
                cache[hash] = value;   
               
           
        V result = entry.value;   
        entry.value = value;   
        return result;   
    

从源代码中可以看出：当我们往HashMap中put元素的时候，先根据key的hashCode重新计算hash值，根据hash值得到这个元素在数组中的位置（即下标），如果数组该位置上已经存放有其他元素了，那么在这个位置上的元素将以链表的形式存放，新加入的放在链头，最先加入的放在链尾。如果数组该位置上没有元素，就直接将该元素放到此数组中的该位置上。

读取操作：

public V get(Object key) 
        if (key != null && cache != null && key instanceof Integer) 
            int index = ((Integer) key).intValue();
            if (index >> CACHE_BIT_SIZE == 0) 
                return (V) cache[index];
            
        
        Entry<K, V> m = getEntry(key);
        if (m != null) 
            return m.value;
        
        return null;
    

有了上面存储时的hash算法作为基础，理解起来这段代码就很容易了。从上面的源代码中可以看出：从HashMap中get元素时，首先计算key的hashCode，找到数组中对应位置的某一元素，然后通过key的equals方法在对应位置的链表中找到需要的元素。

3、HashMap和Hashtable主要区别：

（1）HashMap和Hashtable都实现了Map接口，但是Hashtable的实现是基于Dictionary抽象类。

（2）HashMap允许null值(key和value都可以)，Hashtable不允许null值(key和value都不可以)。因此，HashMap使用get()方法获取到null，可能是某个键对于value为null，也可能是没有该键，需要使用containsKey()来判断是否包含某个键值。Hashtable没有该问题，两种方式都可以。

（3）HashMap中hash数组的默认大小是16，客座率是0.75，增加方式是直接翻倍，也就是2的指数, 当HashMap容量达到了16*0.75 = 12，它的容量便会拓展到16*2=32。Hashtable中hash数组默认大小是11，增加的方式是old*2+1。

（4）Hashtable使用Enumeration，HashMap使用Iterator。以上只是表面的不同，它们的实现也有很大的不同。

（5）两者最大的区别在于HashMap不是线程安全的，而Hashtble的方法是线程安全的，它的方法是同步过了的，所以在多线程场合要手动同步HashMap。但java中提供了两种生成同步的HashMap的方法。见下文。

4、潜在的线程安全问题：

Map m =Collections.synchronizedMap(new HashMap(...));

该方法返回的是一个SynchronizedMap的实例。SynchronizedMap类是定义在Collections中的一个静态内部类。它实现了Map接口，并对其中的每一个方法实现，通过synchronized关键字进行了同步控制。这种方式获取的map中每个方法都是同步的，但并不意味着就一定是线程安全的。如下面代码：

Map<String,String>map=Collections.synchronizedMap(new TreeMap<String,String>());
map.put("key1","value1");
map.put("key2","value2");
if(map.containsKey("key1"))
	map.remove("key1");

Set<Entry<String,String>> entries = map.entrySet();
Iterator<Entry<String,String>> iter = entries.iterator();
while(iter.hasNext())
	System.out.println(iter.next()); //Willthrow ConcurrentModificationException
	map.remove("key2");

上边这段代码是在map删除一个元素之前，先判断这个元素是否存在。如果两个有线程，A线程首先执行containsKey方法，返回true，准备执行remove操作，这个时候，如果线程B也执行了containsKey方法，同样会返回true，然后准备执行remove方法，线程A,B有一个先执行remove可以删除该元素，当另一个执行时，会发现该元素已经没有了。

5、线程安全的HsahMap：

Hashtable虽然是线程安全的，它采用的锁机制是一次锁住整个hash表，同一时间点只能有一个线程操作，所有访问Hashtable的线程都要竞争同一把锁。在JDK5中，新增了ConcurrentMap接口和它的一个实现类ConcurrentHashMap。这个map可以实现与Hashtable相同的线程安全，但效率要比其高很多。ConcurrentHashMap的锁机制是一次锁住一个桶，它将Hash表默认分成16个桶，对于常见操作如get、set、remove等，只需要操作当前桶即可。这样原来只能有1个线程操作，变成了最多可以16个线程同时操作，性能提高是显而易见的。

6、遍历方式：

HashMap的遍历有两种常用的方法，那就是使用keyset或者entryset来进行遍历,如下;

Map<String, String> map = new HashMap<String, String>();
//方式一：
Iterator<Map.Entry<String, String>> iterator = map.entrySet().iterator();
while (iterator.hasNext()) 
	Map.Entry<String, String> entry = iterator.next();
	entry.getKey();
	entry.getValue();

//方式二：
for (Entry<String, String> entry : map.entrySet()) 
	entry.getKey();
	entry.getValue();

//方式三：
Iterator iterator = map.keySet().iterator();
while (iterator.hasNext()) 
	Object key = iterator.next();
	Object val = map.get(key);

//方式四：
for (String key : map.keySet()) 
	Object value = map.get(key);

使用entrySet时，将map中key和value都放在了entry对象中，所以取的时候直接取即可。使用keySet时，其实是遍历了2次，第一次形成iterator，第二次在HashMap中取出key对应的value。