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chenssy · 更新于 2018-11-28 11:00:43

HashTable

在 Java 中与有两个类都提供了一个多种用途的 hashTable 机制,他们都可以将可以 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。一个是前面提到的 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。他们两者之间只存在几点的不同,这个后面会阐述。

一、定义

HashTable 在 Java 中的定义如下:


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

从中可以看出 HashTable 继承 Dictionary 类,实现 Map 接口。其中 Dictionary 类是任何可将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。

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。

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。

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。

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”。

loadFactor:加载因子。

modCount:用来实现“fail-fast”机制的(也就是快速失败)。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)。

二、构造方法

在 HashTabel 中存在 5 个构造函数。通过这 5 个构造函数我们构建出一个我想要的 HashTable。


    public Hashtable() {
            this(11, 0.75f);
        }

默认构造函数,容量为 11,加载因子为 0.75。


    public Hashtable(int initialCapacity) {
            this(initialCapacity, 0.75f);
        }

用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, float loadFactor) {
            //验证初始容量
            if (initialCapacity < 0)
                throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                                     initialCapacity);
            //验证加载因子
            if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Load: "+loadFactor);

            if (initialCapacity==0)
                initialCapacity = 1;

            this.loadFactor = loadFactor;

            //初始化table,获得大小为initialCapacity的table数组
            table = new Entry[initialCapacity];
            //计算阀值
            threshold = (int)Math.min(initialCapacity * loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE + 1);
            //初始化HashSeed值
            initHashSeedAsNeeded(initialCapacity);
        }

用指定初始容量和指定加载因子构造一个新的空哈希表。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。


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

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

三、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。

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。注意这里键 key 和值 value 都不可为空。


    public synchronized V put(K key, V value) {
            // 确保value不为null
            if (value == null) {
                throw new NullPointerException();
            }

            /*
             * 确保key在table[]是不重复的
             * 处理过程:
             * 1、计算key的hash值,确认在table[]中的索引位置
             * 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
             */
            Entry tab[] = table;
            int hash = hash(key);    //计算key的hash值
            int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;     //确认该key的索引位置
            //迭代,寻找该key,替换
            for (Entry<K,V> e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) {
                if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {
                    V old = e.value;
                    e.value = value;
                    return old;
                }
            }

            modCount++;
            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
                rehash();
                tab = table;
                hash = hash(key);
                index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
            }

            // 在索引位置处插入一个新的节点
            Entry<K,V> e = tab[index];
            tab[index] = new Entry<>(hash, key, value, e);
            //容器中元素+1
            count++;
            return null;
        }

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。他们在 table 中位置如下:

fig.1

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。

fig.2

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。

fig.3

在 HashTabled 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:


    protected void rehash() {
            int oldCapacity = table.length;
            //元素
            Entry<K,V>[] oldMap = table;

            //新容量=旧容量 * 2 + 1
            int newCapacity = (oldCapacity << 1) + 1;
            if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0) {
                if (oldCapacity == MAX_ARRAY_SIZE)
                    return;
                newCapacity = MAX_ARRAY_SIZE;
            }

            //新建一个size = newCapacity 的HashTable
            Entry<K,V>[] newMap = new Entry[];

            modCount++;
            //重新计算阀值
            threshold = (int)Math.min(newCapacity *  loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE + 1);
            //重新计算hashSeed
            boolean rehash = initHashSeedAsNeeded(newCapacity);

            table = newMap;
            //将原来的元素拷贝到新的HashTable中
            for (int i = oldCapacity ; i-- > 0 ;) {
                for (Entry<K,V> old = oldMap[i] ; old != null ; ) {
                    Entry<K,V> e = old;
                    old = old.next;

                    if (rehash) {
                        e.hash = hash(e.key);
                    }
                    int index = (e.hash & 0x7FFFFFFF) % newCapacity;
                    e.next = newMap[index];
                    newMap[index] = e;
                }
            }
        }

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=8,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=170.75 = 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。


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

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。


    public synchronized V get(Object key) {
            Entry tab[] = table;
            int hash = hash(key);
            int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
            for (Entry<K,V> e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) {
                if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {
                    return e.value;
                }
            }
            return null;
        }

四、HashTable 与 HashMap 的区别

HashTable 和 HashMap 存在很多的相同点,但是他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。


    if (key == null)
                return putForNullKey(value);

而当 HashTable 遇到 null 时,他会直接抛出 NullPointerException异常信息。


    if (value == null) {
                throw new NullPointerException();
            }

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 方法是可以我们你同步访问潜在的 HashMap。这样君该如何选择呢???

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