Hashtable源码分析

Posted 2022-08-09 developer_chan

前言：Hashtable线程安全的集合类，虽然它线程安全，然而在日常开发中使用的频率很低，毕竟锁的颗粒度太大了。但是这并不妨碍我们对其内部原理进行了解。

注：jdk版本为1.8.0_172。

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1.Hashtable基本概念

Hashtable与HashMap一样，都是以键值对的形式存储数据。但是Hashtable的键值不能为null，而HashMap的键值是可以为null的。Hashtable线程安全，因为它的元素操作方法上都加了synchronized关键字，这就导致锁的粒度太大，因此日常开发中一般建议使用ConcurrentHashMap。注意Hashtable的映射关系不是有序的，毕竟是以hashCode散列存储。

首先来看Hashtable的继承关系：

1 public class Hashtable<K,V> extends Dictionary<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, java.io.Serializable

Hashtable继承了Dictionary，实现了Map、Cloneable、Serializable接口。

HashTable构造函数

Hashtable共有4个构造函数。

#1.默认构造函数

1  public Hashtable() 
2         this(11, 0.75f);
3     

分析：

从默认构造函数可知：Hashtable的默认容量为11，扩容因子为0.75。

#2.确定容量的构造函数

1   public Hashtable(int initialCapacity) 
2         this(initialCapacity, 0.75f);
3     

其他构造函数可翻看相关源码，还是比较简单的。

2.put操作

 1 public synchronized V put(K key, V value) 
 2         // Make sure the value is not null
 3         // 如果value值为空，直接抛出空指针异常
 4         if (value == null) 
 5             throw new NullPointerException();
 6         
 7 
 8         // Makes sure the key is not already in the Hashtable.
 9         Entry<?,?> tab[] = table;
10         // 如果key为null，这里同样会抛出空指针
11         int hash = key.hashCode();
12         // 通过hash值与table长度取余，确定元素的位置
13         int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
14         @SuppressWarnings("unchecked")
15         // 取出当前位置上的元素        
16         Entry<K,V> entry = (Entry<K,V>)tab[index];
17         // 如果当前位置上存在值，则进行循环，因为位置上的值是以链表形式存储的
18         for(; entry != null ; entry = entry.next) 
19             // 查找是否具有相同hash值和key的元素，有则替换
20             if ((entry.hash == hash) && entry.key.equals(key)) 
21                 V old = entry.value;
22                 entry.value = value;
23                 return old;
24             
25         
26         // 添加元素
27         addEntry(hash, key, value, index);
28         return null;
29     

分析：put操作的逻辑比较简单明了，通过元素的hash值确定元素在数组上的位置，然后判断是否需要对原值进行替换，如果不进行替换则直接进行插入操作。

注意：整个put操作的流程和HashMap类似，但从以上源码可以看出Hashtable是不允许[key,value]为null。

addEntry函数（插入元素），这里会涉及扩容，因此还是很有必要看下

 1 private void addEntry(int hash, K key, V value, int index) 
 2         // modCount++表示进行了修改
 3         modCount++;
 4 
 5         Entry<?,?> tab[] = table;
 6         // 如果元素总量大于threshold
 7         // threshold = (int)Math.min(initialCapacity * loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE + 1);
 8         // 在容量不超过最大值的时候，阈值等于容量与扩容因子的乘积
 9         if (count >= threshold) 
10             // Rehash the table if the threshold is exceeded
11             // 扩容
12             rehash();
13 
14             tab = table;
15             hash = key.hashCode();
16             // 重新计算元素的位置
17             index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
18         
19 
20         // Creates the new entry.
21         @SuppressWarnings("unchecked")
22         // 取出当前位置上的元素
23         Entry<K,V> e = (Entry<K,V>) tab[index];
24         // 进行插入操作，从这里可以看出新的元素总是在链表头的位置
25         tab[index] = new Entry<>(hash, key, value, e);
26         count++;
27     

分析：

在该函数中涉及扩容，但是由于put操作为线程安全，所以扩容时也是线程安全的。扩容要求：当前元素个数大于等于容量与扩容因子的乘积。还有一点需注意插入的新节点总是在链表头。

接下来看下addEntry函数中的重点rehash（扩容函数）

 1 protected void rehash() 
 2         // 旧的容量大小
 3         int oldCapacity = table.length;
 4         Entry<?,?>[] oldMap = table;
 5 
 6         // overflow-conscious code
 7         // 扩容后新的容量等于原来容量的2倍+1
 8         int newCapacity = (oldCapacity << 1) + 1;
 9         // 容量大小控制，不要超过最大值
10         if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0) 
11             if (oldCapacity == MAX_ARRAY_SIZE)
12                 // Keep running with MAX_ARRAY_SIZE buckets
13                 return;
14             newCapacity = MAX_ARRAY_SIZE;
15         
16         // 创建新的数组
17         Entry<?,?>[] newMap = new Entry<?,?>[newCapacity];
18 
19         modCount++;
20         // 更新扩容因子
21         threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE + 1);
22         table = newMap;
23         // 数组转移 这里是从数组尾往前搬移
24         for (int i = oldCapacity ; i-- > 0 ;) 
25             for (Entry<K,V> old = (Entry<K,V>)oldMap[i] ; old != null ; ) 
26                 Entry<K,V> e = old;
27                 old = old.next;
28                 // 计算元素在新数组中的位置
29                 int index = (e.hash & 0x7FFFFFFF) % newCapacity;
30                 // 进行元素插入，注意这里是头插法，元素会倒序
31                 e.next = (Entry<K,V>)newMap[index];
32                 newMap[index] = e;
33             
34         
35     

分析：

整个扩容过程比较简单，注意新的数组大小是原来的2倍加1，还有一点比较重要扩容时插入新元素采用的是头插法，元素会进行倒序。

3.get操作

分析完put操作后，我们再来看下get操作，get操作相对来说就简单许多了

 1 public synchronized V get(Object key) 
 2         Entry<?,?> tab[] = table;
 3         int hash = key.hashCode();
 4         // 计算元素的位置
 5         int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
 6         for (Entry<?,?> e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) 
 7             // 遍历 寻找hash和key相同的元素
 8             if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) 
 9                 return (V)e.value;
10             
11         
12         // 如果未发现元素，则返回null
13         return null;
14     

分析：

get操作比较简单，通过hash值与key进行查找，找到立即返回，未找到则返回null。

总结

本文对Hashtable的主要源码进行了分析，总体来看Hashtable还是比较简单，这里总结一下侧重点：

#1.Hashtable线程安全、元素无序（因为以hashCode为基准进行散列存储），不允许[key，value]为null。

#2.Hashtable默认容量为11，与HashMap不同（默认容量16），扩容时容量增长为2*n+1（HashMap直接增长为2倍）。

#3.扩容转移元素时采用的是头插法。

by Shawn Chen，2019.08.20日，晚上。