Hashtable,HashMap和ConcurrentHashMap的原理及区别

一、原理

Hashtable

底层数组+链表实现，无论key还是value都不能为null，线程安全，实现线程安全的方式是在修改数据时锁住整个HashTable，效率低，ConcurrentHashMap做了相关优化；
初始size为11，扩容：newsize = olesize*2+1；

HashMap

底层数组+链表实现，可以存储null键和null值，线程不安全；
初始size为16，扩容：newsize = oldsize*2，size一定为2的n次幂；
扩容针对整个Map，每次扩容时，原来数组中的元素依次重新计算存放位置，并重新插入；
插入元素后才判断该不该扩容，有可能无效扩容（插入后如果扩容，如果没有再次插入，就会产生无效扩容）；
当Map中元素总数超过Entry数组的75%，触发扩容操作，为了减少链表长度，元素分配更均匀；

HashMap的初始值还要考虑加载因子:

哈希冲突：若干Key的哈希值按数组大小取模后，如果落在同一个数组下标上，将组成一条Entry链，对Key的查找需要遍历Entry链上的每个元素执行equals()比较。
加载因子：为了降低哈希冲突的概率，默认当HashMap中的键值对达到数组大小的75%时，即会触发扩容。因此，如果预估容量是100，即需要设定100/0.75＝134的数组大小。
空间换时间：如果希望加快Key查找的时间，还可以进一步降低加载因子，加大初始大小，以降低哈希冲突的概率。

HashMap和Hashtable都是用hash算法来决定其元素的存储，因此HashMap和Hashtable的hash表包含如下属性：

容量（capacity）：hash表中桶的数量
初始化容量（initial capacity）：创建hash表时桶的数量，HashMap允许在构造器中指定初始化容量
尺寸（size）：当前hash表中记录的数量
负载因子（load factor）：负载因子等于“size/capacity”。负载因子为0，表示空的hash表，0.5表示半满的散列表，依此类推。轻负载的散列表具有冲突少、适宜插入与查询的特点（但是使用Iterator迭代元素时比较慢）
负载极限：是一个0～1的数值，决定了hash表的最大填满程度；“负载极限”的默认值（0.75）是时间和空间成本上的一种折中

ConcurrentHashMap

底层采用分段的数组+链表实现，线程安全（在JDK1.8之后底层采用的是数组+链表+红黑树实现，摒弃了Segment锁段的概念，启用了一种全新的方式实现，利用CAS算法）；
通过把整个Map分为N个Segment，可以提供相同的线程安全，但是效率提升N倍，默认提升16倍。(读操作不加锁，由于HashEntry的value变量是 volatile的，也能保证读取到最新的值。)
Hashtable的synchronized是针对整张Hash表的，即每次锁住整张表让线程独占，ConcurrentHashMap允许多个修改操作并发进行，其关键在于使用了锁分离技术；
扩容：段内扩容（段内元素超过该段对应Entry数组长度的75%触发扩容，不会对整个Map进行扩容），插入前检测需不需要扩容，有效避免无效扩容；

CAS：java.util.concurrent包中借助CAS（Compare and Swap）实现了区别于synchronouse同步锁的一种乐观锁。CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则什么都不做。CAS通过调用JNI的代码实现的。JNI:Java Native Interface为JAVA本地调用，允许java调用其他语言。

锁分段技术：首先将数据分成一段一段的存储，然后给每一段数据配一把锁，当一个线程占用锁访问其中一个段数据的时候，其他段的数据也能被其他线程访问。

ConcurrentHashMap提供了与Hashtable和SynchronizedMap不同的锁机制。Hashtable中采用的锁机制是一次锁住整个hash表，从而在同一时刻只能由一个线程对其进行操作；而ConcurrentHashMap中则是一次锁住一个桶。

ConcurrentHashMap默认将hash表分为16个桶，诸如get、put、remove等常用操作只锁住当前需要用到的桶。这样，原来只能一个线程进入，现在却能同时有16个写线程执行，并发性能的提升是显而易见的。

二、区别

1.两者最主要的区别在于Hashtable是线程安全，而HashMap则非线程安全。

Hashtable是线程安全的，它的每个方法中都加入了Synchronize方法。在多线程并发的环境下，可以直接使用Hashtable，不需要自己为它的方法实现同步。

HashMap不是线程安全的，在多线程并发的环境下，可能会产生死锁等问题。使用HashMap时就必须要自己增加同步处理。

虽然HashMap不是线程安全的，但是它的效率会比Hashtable要好很多。这样设计是合理的。在我们的日常使用当中，大部分时间是单线程操作的。HashMap把这部分操作解放出来了。当需要多线程操作的时候可以使用线程安全的ConcurrentHashMap。

在多线程环境下若使用HashMap需要使用Collections.synchronizedMap()方法来获取一个线程安全的集合（Collections.synchronizedMap()实现原理是Collections定义了一个SynchronizedMap的内部类，这个类实现了Map接口，在调用方法时使用synchronized来保证线程同步,当然了实际上操作的还是我们传入的HashMap实例，简单的说就是Collections.synchronizedMap()方法帮我们在操作HashMap时自动添加了synchronized来实现线程同步，类似的其它Collections.synchronizedXX方法也是类似原理。

ConcurrentHashMap虽然也是线程安全的，但是它的效率比Hashtable要高好多倍。因为ConcurrentHashMap使用了分段锁，并不对整个数据进行锁定。

2.HashMap可以使用null作为key，不过建议还是尽量避免这样使用。HashMap以null作为key时，总是存储在table数组的第一个节点上。而Hashtable则不允许null作为key。

3.HashMap继承了AbstractMap，HashTable继承Dictionary抽象类，两者均实现Map接口。

4.HashMap的初始容量为16，Hashtable初始容量为11，两者的填充因子默认都是0.75。

Hashtable默认的初始大小为11，之后每次扩充，容量变为原来的2n+1。HashMap默认的初始化大小为16。之后每次扩充，容量变为原来的2倍。

创建时，如果给定了容量初始值，那么Hashtable会直接使用你给定的大小，而HashMap会将其扩充为2的幂次方大小。也就是说Hashtable会尽量使用素数、奇数。而HashMap则总是使用2的幂作为哈希表的大小。

之所以会有这样的不同，是因为Hashtable和HashMap设计时的侧重点不同。Hashtable的侧重点是哈希的结果更加均匀，使得哈希冲突减少。当哈希表的大小为素数时，简单的取模哈希的结果会更加均匀。而HashMap则更加关注hash的计算效率问题。在取模计算时，如果模数是2的幂，那么我们可以直接使用位运算来得到结果，效率要大大高于做除法。HashMap为了加快hash的速度，将哈希表的大小固定为了2的幂。当然这引入了哈希分布不均匀的问题，所以HashMap为解决这问题，又对hash算法做了一些改动。这从而导致了Hashtable和HashMap的计算hash值的方法不同。

5.HashMap扩容时是当前容量翻倍即:capacity*2，Hashtable扩容时是容量翻倍+1即:capacity*2+1。

6.HashMap和Hashtable的底层实现都是数组+链表结构实现。

7.两者计算hash的方法不同。

为了得到元素的位置，首先需要根据元素的 KEY计算出一个hash值，然后再用这个hash值来计算得到最终的位置。

Hashtable直接使用对象的hashCode。hashCode是JDK根据对象的地址或者字符串或者数字算出来的int类型的数值。然后再使用除留余数发来获得最终的位置。

Hashtable在计算元素的位置时需要进行一次除法运算，而除法运算是比较耗时的。
HashMap为了提高计算效率，将哈希表的大小固定为了2的幂，这样在取模预算时，不需要做除法，只需要做位运算。位运算比除法的效率要高很多。

HashMap的效率虽然提高了，但是hash冲突却也增加了。因为它得出的hash值的低位相同的概率比较高，而计算位运算。

为了解决这个问题，HashMap重新根据hashcode计算hash值后，又对hash值做了一些运算来打散数据。使得取得的位置更加分散，从而减少了hash冲突。当然了，为了高效，HashMap只做了一些简单的位处理。从而不至于把使用2 的幂次方带来的效率提升给抵消掉。

8.遍历方式的内部实现上不同

Hashtable、HashMap都使用了 Iterator。而由于历史原因，Hashtable还使用了Enumeration的方式。

HashMap的Iterator是fail-fast迭代器。当有其它线程改变了HashMap的结构（增加，删除，修改元素），将会抛出ConcurrentModificationException。不过，通过Iterator的remove()方法移除元素则不会抛出ConcurrentModificationException异常。但这并不是一个一定发生的行为，要看JVM。

JDK8之前的版本中，Hashtable是没有fast-fail机制的。在JDK8及以后的版本中，HashTable也是使用fast-fail的。