集合总结五(Hashtable的实现原理)

一、概述

上一篇介绍了Java8的HashMap，接下来准备介绍一下Hashtable。

Hashtable可以说已经具有一定的历史了，现在也很少使用到Hashtable了，更多的是使用HashMap或ConcurrentHashMap。HashTable是一个线程安全的哈希表，它通过使用synchronized关键字来对方法进行加锁，从而保证了线程安全。但这也导致了在单线程环境中效率低下等问题。Hashtable与HashMap不同，它不允许插入null值和null键。

二、属性

Hashtable并没有像HashMap那样定义了很多的常量，而是直接写死在了方法里（看下去就知道了），所以它的属性相比HashMap来说，可以获取的信息还是比较少的。

//哈希表
private transient Entry<?,?>[] table;

//记录哈希表中键值对的个数
private transient int count;

//扩容的阈值
private int threshold;

//负载因子
private float loadFactor;

三、方法

1、构造方法

public Hashtable(int initialCapacity, float loadFactor) {
    if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                               initialCapacity);
    if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Load: "+loadFactor);

    if (initialCapacity==0)
        initialCapacity = 1;
    this.loadFactor = loadFactor;
    table = new Entry<?,?>[initialCapacity];
    threshold = (int)Math.min(initialCapacity * loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE + 1);
}

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

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

二话不说，上来先丢了三个构造函数。从构造函数中，我们可以获取到这些信息：Hashtable默认的初始化容量为11（与HashMap不同），负载因子默认为0.75（与HashMap相同）。而正因为默认初始化容量的不同，同时也没有对容量做调整的策略，所以可以先推断出，Hashtable使用的哈希函数跟HashMap是不一样的（事实也确实如此）。

2、get方法

public synchronized V get(Object key) {
    Entry<?,?> tab[] = table;
    int hash = key.hashCode();
    //通过哈希函数，计算出key对应的桶的位置
    int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
    //遍历该桶的所有元素，寻找该key
    for (Entry<?,?> e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) {
        if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {
            return (V)e.value;
        }
    }
    return null;
}

跟HashMap相比，Hashtable的get方法非常简单。我们首先可以看见get方法使用了synchronized来修饰，所以它能保证线程安全。并且它是通过链表的方式来处理冲突的。另外，我们还可以看见HashTable并没有像HashMap那样封装一个哈希函数，而是直接把哈希函数写在了方法中。而哈希函数也是比较简单的，它仅对哈希表的长度进行了取模。

3、put方法

public synchronized V put(K key, V value) {
    // Make sure the value is not null
    if (value == null) {
        throw new NullPointerException();
    }

    // Makes sure the key is not already in the hashtable.
    Entry<?,?> tab[] = table;
    int hash = key.hashCode();
    //计算桶的位置
    int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
    @SuppressWarnings("unchecked")
    Entry<K,V> entry = (Entry<K,V>)tab[index];
    //遍历桶中的元素，判断是否存在相同的key
    for(; entry != null ; entry = entry.next) {
        if ((entry.hash == hash) && entry.key.equals(key)) {
            V old = entry.value;
            entry.value = value;
            return old;
        }
    }

    //不存在相同的key，则把该key插入到桶中
    addEntry(hash, key, value, index);
    return null;
}

private void addEntry(int hash, K key, V value, int index) {
    modCount++;

    Entry<?,?> tab[] = table;
    //哈希表的键值对个数达到了阈值，则进行扩容
    if (count >= threshold) {
        // Rehash the table if the threshold is exceeded
        rehash();

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

    // Creates the new entry.
    @SuppressWarnings("unchecked")
    Entry<K,V> e = (Entry<K,V>) tab[index];
    //把新节点插入桶中（头插法）
    tab[index] = new Entry<>(hash, key, value, e);
    count++;
}

put方法一开始就表明了不能有null值，否则就会向你抛出一个空指针异常。Hashtable的put方法也是使用synchronized来修饰。你可以发现，在Hashtable中，几乎所有的方法都使用了synchronized来保证线程安全。

4、remove方法

public synchronized V remove(Object key) {
    Entry<?,?> tab[] = table;
    int hash = key.hashCode();
    int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
    @SuppressWarnings("unchecked")
    Entry<K,V> e = (Entry<K,V>)tab[index];
    for(Entry<K,V> prev = null ; e != null ; prev = e, e = e.next) {
        if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {
            modCount++;
            if (prev != null) {
                prev.next = e.next;
            } else {
                tab[index] = e.next;
            }
            count--;
            V oldValue = e.value;
            e.value = null;
            return oldValue;
        }
    }
    return null;
}

remove方法我已经不想加注释了，跟get和put的原理差不多。如果看过上一篇的HashMap的话，或者理解了上面的put方法的话，我相信remove方法看一眼就能懂了。

5、rehash方法

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

    //扩容扩为原来的两倍+1
    int newCapacity = (oldCapacity << 1) + 1;
    //判断是否超过最大容量
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0) {
        if (oldCapacity == MAX_ARRAY_SIZE)
            // Keep running with MAX_ARRAY_SIZE buckets
            return;
        newCapacity = MAX_ARRAY_SIZE;
    }
    Entry<?,?>[] newMap = new Entry<?,?>[newCapacity];

    modCount++;
    //计算下一次rehash的阈值
    threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE + 1);
    table = newMap;

    //把旧哈希表的键值对重新哈希到新哈希表中去
    for (int i = oldCapacity ; i-- > 0 ;) {
        for (Entry<K,V> old = (Entry<K,V>)oldMap[i] ; old != null ; ) {
            Entry<K,V> e = old;
            old = old.next;

            int index = (e.hash & 0x7FFFFFFF) % newCapacity;
            e.next = (Entry<K,V>)newMap[index];
            newMap[index] = e;
        }
    }
}

Hashtable的rehash方法相当于HashMap的resize方法。跟HashMap那种巧妙的rehash方式相比，Hashtable的rehash过程需要对每个键值对都重新计算哈希值，而比起异或和与操作，取模是一个非常耗时的操作，所以这也是导致效率较低的原因之一。