HashMap、HashTable异同

1、HashMap是非线程安全的，HashTable是线程安全的。

2、HashMap的键和值都允许有null值存在，而HashTable则不行。

3、因为线程安全的问题，HashMap效率比HashTable的要高。

一、HashMap的内部存储结构
Java中数据存储方式最底层的两种结构，一种是数组，另一种就是链表，数组的特点：连续空间，寻址迅速，但是在删除或者添加元素的时候需要有较大幅度的移动，所以查询速度快，增删较慢。而链表正好相反，由于空间不连续，寻址困难，增删元素只需修改指针，所以查询慢、增删快。有没有一种数据结构来综合一下数组和链表，以便发挥他们各自的优势？答案是肯定的！就是：哈希表。哈希表具有较快（常量级）的查询速度，及相对较快的增删速度，所以很适合在海量数据的环境中使用。一般实现哈希表的方法采用“拉链法”，我们可以理解为“链表的数组”，如下图：

从上图中，我们可以发现哈希表是由数组+链表组成的，一个长度为16的数组中，每个元素存储的是一个链表的头结点。那么这些元素是按照什么样的规则存储到数组中呢。一般情况是通过hash(key)%len获得，也就是元素的key的哈希值对数组长度取模得到。比如上述哈希表中，12%16=12,28%16=12,108%16=12,140%16=12。所以12、28、108以及140都存储在数组下标为12的位置。它的内部其实是用一个Entity数组来实现的，属性有key、value、next。接下来我会从初始化阶段详细的讲解HashMap的内部结构。

1、初始化
首先来看三个常量：
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16; 初始容量：16
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; 最大容量：2的30次方：1073741824
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f; 装载因子，后面再说它的作用
来看个无参构造方法，也是我们最常用的：

public HashMap() {          this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;          threshold = (int)(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);          table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];          init();      }  

loadFactor、threshold的值在此处没有起到作用，不过他们在后面的扩容方面会用到，此处只需理解table=new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY].说明，默认就是开辟16个大小的空间。另外一个重要的构造方法：

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {          if (initialCapacity < 0)              throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +                                                 initialCapacity);          if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)              initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;          if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))              throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +                                                 loadFactor);            // Find a power of 2 >= initialCapacity          int capacity = 1;          while (capacity < initialCapacity)              capacity <<= 1;            this.loadFactor = loadFactor;          threshold = (int)(capacity * loadFactor);          table = new Entry[capacity];          init();      }  

就是说传入参数的构造方法，实际的开辟的空间要大于传入的第一个参数的值。举个例子：
new HashMap(7,0.8),loadFactor为0.8，capacity为7，通过上述代码后，capacity的值为：8，最后通过new Entry[capacity]来创建大小为capacity的数组，所以，这种方法最终取决于capacity的大小。

2、put(Object key,Object value)操作
 
当调用put操作时，首先判断key是否为null，如下代码1处：

public V put(K key, V value) {          if (key == null)              return putForNullKey(value);          int hash = hash(key.hashCode());          int i = indexFor(hash, table.length);          for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {              Object k;              if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {                  V oldValue = e.value;                  e.value = value;                  e.recordAccess(this);                  return oldValue;              }          }      modCount++;          addEntry(hash, key, value, i);          return null;      }

如果key是null，则调用如下代码：

private V putForNullKey(V value) {          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;      }  

就是说，获取Entry的第一个元素table[0]，并基于第一个元素的next属性开始遍历，直到找到key为null的Entry，将其value设置为新的value值。
如果没有找到key为null的元素，则调用如上述代码的addEntry(0, null, value, 0);增加一个新的entry，代码如下：

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {      Entry<K,V> e = table[bucketIndex];          table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);          if (size++ >= threshold)              resize(2 * table.length);      }

先获取第一个元素table[bucketIndex],传给e对象，新建一个entry，key为null，value为传入的value值，next为获取的e对象。如果容量大于threshold，容量扩大2倍。
如果key不为null，这也是大多数的情况，重新看一下源码：

public V put(K key, V value) {          if (key == null)              return putForNullKey(value);          int hash = hash(key.hashCode());//---------------2---------------          int i = indexFor(hash, table.length);          for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {//--------------3-----------              Object k;              if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {                  V oldValue = e.value;                  e.value = value;                  e.recordAccess(this);                  return oldValue;              }          }//-------------------4------------------          modCount++;//----------------5----------          addEntry(hash, key, value, i);-------------6-----------          return null;      }  

Entry类里面有一个next属性，作用是指向下一个Entry。如， 第一个键值对A进来，通过计算其key的hash得到的i=0，记做:Entry[0] = A。一会后又进来一个键值对B，通过计算其i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,i也等于0,那么C.next = B,Entry[0] = C；这样我们发现i=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,也就是说数组中存储的是最后插入的元素。

到这里为止，HashMap的大致实现，我们应该已经清楚了。当然HashMap里面也包含一些优化方面的实现，这里也说一下。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i的链就会很长，会不会影响性能？HashMap里面设置一个因素（也称为因子），随着map的size越来越大，Entry[]会以一定的规则加长长度。

2、get(Object key)操作
get(Object key)操作时根据键来获取值，如果了解了put操作，get操作容易理解，先来看看源码的实现：

public V get(Object key) {          if (key == null)              return getForNullKey();          int hash = hash(key.hashCode());          for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];               e != null;               e = e.next) {              Object k;              if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))//-------------------1----------------                  return e.value;          }          return null;      }  

意思就是：1、当key为null时，调用getForNullKey()，源码如下：

private V getForNullKey() {          for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {              if (e.key == null)                  return e.value;          }          return null;      }  

2、当key不为null时，先根据hash函数得到hash值，在更具indexFor()得到i的值，循环遍历链表，如果有：key值等于已存在的key值，则返回其value。否则，返回null。

二、HashTable的内部存储结构

HashTable和HashMap采用相同的存储机制，二者的实现基本一致，不同的是：

1、HashMap是非线程安全的，HashTable是线程安全的，内部的方法基本都是synchronized。

2、HashTable不允许有null值的存在。

在HashTable中调用put方法时，如果key为null，直接抛出NullPointerException。其它细微的差别还有，比如初始化Entry数组的大小等等，但基本思想和HashMap一样。

三、HashTable和ConcurrentHashMap的比较

如我开篇所说一样，ConcurrentHashMap是线程安全的HashMap的实现。同样是线程安全的类，它与HashTable在同步方面有什么不同呢？

之前我们说，synchronized关键字加锁的原理，其实是对对象加锁，不论你是在方法前加synchronized还是语句块前加，锁住的都是对象整体，但是ConcurrentHashMap的同步机制和这个不同，它不是加synchronized关键字，而是基于lock操作的，这样的目的是保证同步的时候，锁住的不是整个对象。事实上，ConcurrentHashMap可以满足concurrentLevel个线程并发无阻塞的操作集合对象。

1、构造方法

为了容易理解，我们先从构造函数说起。ConcurrentHashMap是基于一个叫Segment数组的，其实和Entry类似，如下：

public ConcurrentHashMap()    {      this(16, 0.75F, 16);    }  public ConcurrentHashMap(int paramInt1, float paramFloat, int paramInt2)    {      if ((paramFloat <= 0F) || (paramInt1 < 0) || (paramInt2 <= 0))        throw new IllegalArgumentException();        if (paramInt2 > 65536) {        paramInt2 = 65536;      }        int i = 0;      int j = 1;      while (j < paramInt2) {        ++i;        j <<= 1;      }      this.segmentShift = (32 - i);      this.segmentMask = (j - 1);      this.segments = Segment.newArray(j);        if (paramInt1 > 1073741824)        paramInt1 = 1073741824;      int k = paramInt1 / j;      if (k * j < paramInt1)        ++k;      int l = 1;      while (l < k)        l <<= 1;        for (int i1 = 0; i1 < this.segments.length; ++i1)        this.segments[i1] = new Segment(l, paramFloat);    }  

你会发现比HashMap的构造函数多一个参数，paramInt1就是我们之前谈过的initialCapacity，就是数组的初始化大小，paramfloat为loadFactor（装载因子），而paramInt2则是我们所要说的concurrentLevel，这三个值分别被初始化为16,0.75,16，

j就是我们最终要开辟的数组的size值，当paramInt1为16时，计算出来的size值就是16.通过：

this.segments = Segment.newArray(j)后，我们看出了，最终稿创建的Segment数组的大小为16.最终创建Segment对象时：

1. this.segments[i1] = new Segment(cap, paramFloat);  

需要cap值，而cap值来源于：

1. int k = paramInt1 / j;  
2.   if (k * j < paramInt1)  
3.     ++k;  
4.   int cap = 1;  
5.   while (cap < k)  
6.     cap <<= 1;  

2、put操作

public V put(K paramK, V paramV)    {      if (paramV == null)        throw new NullPointerException();      int i = hash(paramK.hashCode());      return segmentFor(i).put(paramK, i, paramV, false);    }  

与HashMap不同的是，如果key为null，直接抛出NullPointer异常，之后，同样先计算hashCode的值，再计算hash值。

1. final Segment<K, V> segmentFor(int paramInt)  
2.   {  
3.     return this.segments[(paramInt >>> this.segmentShift & this.segmentMask)];  
4.   }  

根据上述代码找到Segment对象后，调用put来操作：

V put(K paramK, int paramInt, V paramV, boolean paramBoolean)  {    lock();    try {      Object localObject1;      Object localObject2;      int i = this.count;      if (i++ > this.threshold)        rehash();      ConcurrentHashMap.HashEntry[] arrayOfHashEntry = this.table;      int j = paramInt & arrayOfHashEntry.length - 1;      ConcurrentHashMap.HashEntry localHashEntry1 = arrayOfHashEntry[j];      ConcurrentHashMap.HashEntry localHashEntry2 = localHashEntry1;      while ((localHashEntry2 != null) && (((localHashEntry2.hash != paramInt) || (!(paramK.equals(localHashEntry2.key)))))) {        localHashEntry2 = localHashEntry2.next;      }        if (localHashEntry2 != null) {        localObject1 = localHashEntry2.value;        if (!(paramBoolean))          localHashEntry2.value = paramV;      }      else {        localObject1 = null;        this.modCount += 1;        arrayOfHashEntry[j] = new ConcurrentHashMap.HashEntry(paramK, paramInt, localHashEntry1, paramV);        this.count = i;      }      return localObject1;    } finally {      unlock();    }  }  

先调用lock()，lock是ReentrantLock类的一个方法，用当前存储的个数+1来和threshold比较，如果大于threshold，则进行rehash，将当前的容量扩大2倍，重新进行hash。之后对hash的值和数组大小-1进行按位于操作后，得到当前的key需要放入的位置，从这儿开始，和HashMap一样。

从上述的分析看出，ConcurrentHashMap基于concurrentLevel划分出了多个Segment来对key-value进行存储，从而避免每次锁定整个数组，在默认的情况下，允许16个线程并发无阻塞的操作集合对象，尽可能地减少并发时的阻塞现象。

在多线程的环境中，相对于HashTable，ConcurrentHashMap会带来很大的性能提升！