Hashtable数据存储结构-遍历规则，Hash类型的复杂度为啥都是O(1)-源码分析

hashmap的扩容因子是0.75 原因 参考：HashMap默认加载因子为什么选择0.75？(阿里)

Hashtable 是一个很常见的数据结构类型，前段时间阿里的面试官说只要搞懂了HashTable，hashMap,HashSet,treeMap,treeSet这几个数据结构，阿里的数据结构面试没问题。

一查才发现，这里面的知识确实不少，都很经典，因此做一个专题

通过此文章，可以了解到一下内容（我去美团，京东，阿里基本每次都问这几个问题）

(1) Hashtable的存储结构 (数组+链表)

(2)Hashtable的扩容原理，扩容因子0.75，bucket的初始大小11.(扩容的函数为2N+1,hashMap的扩容函数是2N,之所以是2的倍数，是因为，Hashtable为了保证速度，扩容直接位移<<1这样就是2的倍数）

(3)添加，查找操作的深层次原理，

(4)搜素的几种方法，以及为什么会产生这几种搜索方法。

首先总览一下：

Hashtable与Map关系如下图：

从图中可以看出： 
(1) Hashtable继承于Dictionary类，实现了Map接口。Map是"key-value键值对"接口，Dictionary是声明了操作"键值对"函数接口的抽象类。 
(2) Hashtable是通过"拉链法"实现的哈希表。它包括几个重要的成员变量：table, count, threshold, loadFactor, modCount。
　　table是一个Entry[]数组类型，而Entry实际上就是一个单向链表。哈希表的"key-value键值对"都是存储在Entry数组中的。 
　　count是Hashtable的大小，它是Hashtable保存的键值对的数量。 
　　threshold是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就是加载因子。 
　　modCount是用来实现fail-fast机制的

和HashMap一样，Hashtable 也是一个散列表，它存储的内容是键值对(key-value)映射， 都是数组+链表的形式存储数据：

定义如下：

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

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

}

由此能看出两点：

(1)、Hashtable默认 bucket 容量是 11 ，扩容因子是0.75.

也就是说 如果 现在我们创建一个Hashtable，如果里面有8个数值 ，因为：8>=11*0.75;那么，在添加到第8个数值的时候，Hashtable会扩容，

Hashtable 的实例有两个参数影响其性能：初始容量 和 加载因子。容量 是哈希表中桶 的数量，初始容量 就是哈希表创建时的容量。注意，哈希表的状态为 open：在发生“哈希冲突”的情况下，单个桶会存储多个条目，这些条目必须按顺序搜索。加载因子 是对哈希表在其容量自动增加之前可以达到多满的一个尺度。初始容量和加载因子这两个参数只是对该实现的提示。关于何时以及是否调用 rehash 方法的具体细节则依赖于该实现。通常，默认加载因子是 0.75, 这是在时间和空间成本上寻求一种折衷。加载因子过高虽然减少了空间开销，但同时也增加了查找某个条目的时间（在大多数 Hashtable 操作中，包括 get 和 put 操作，都反映了这一点）。

这是Hashtable的构造函数：默认初始容量是11，而加载因子是0.75；

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

        // overflow-conscious code
        int newCapacity = (oldCapacity << 1) + 1;
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0) {
            if (oldCapacity == MAX_ARRAY_SIZE)
                // Keep running with MAX_ARRAY_SIZE buckets
                return;
            newCapacity = MAX_ARRAY_SIZE;
        }}

红色的字体表明 Hashtable 扩容的函数是直接左移动1位，并加一，也就是：扩大为原来的2n+1；

(2)、Hashtable 继承于Dictionary，实现了Map、Cloneable、java.io.Serializable接口。

Hashtable包含的方法 ：elements() ，其作用是返回“所有value”的枚举对象

public synchronized Enumeration<V> elements() {
    return this.<V>getEnumeration(VALUES);
 }

// 获取Hashtable的枚举类对象
private <T> Enumeration<T> getEnumeration(int type) {
if (count == 0) {
return Collections.emptyEnumeration();
} else {
return new Enumerator<>(type, false);
}
}

从中，我们可以看出：

(1) 若Hashtable的实际大小为0,则返回“空枚举类”对象emptyEnumerator；
(2) 否则，返回正常的Enumerator的对象。(Enumerator实现了迭代器和枚举两个接口，请注意这两个接口，这是我们后面介绍搜索方法时，会涉及到的)

我们先看看emptyEnumerator对象是如何实现的

private static Enumeration emptyEnumerator = new EmptyEnumerator();
// 空枚举类
// 当Hashtable的实际大小为0；此时，又要通过Enumeration遍历Hashtable时，返回的是“空枚举类”的对象。
private static class EmptyEnumerator implements Enumeration<Object> {                               

    EmptyEnumerator() {
    }                                                                                               

    // 空枚举类的hasMoreElements() 始终返回false
    public boolean hasMoreElements() {
        return false;
    }                                                                                               

    // 空枚举类的nextElement() 抛出异常
    public Object nextElement() {
        throw new NoSuchElementException("Hashtable Enumerator");
    }
}                                                                                                   

我们在来看看Enumeration类，Enumerator的作用是提供了“通过elements()遍历Hashtable的接口” 和 “通过entrySet()遍历Hashtable的接口”。因为，它同时实现了 “Enumerator接口”和“Iterator接口”。

 private class Enumerator<T> implements Enumeration<T>, Iterator<T> {
        Entry<?,?>[] table = Hashtable.this.table;
        int index = table.length;
        Entry<?,?> entry;
        Entry<?,?> lastReturned;
        int type;

....
}

3、以下为Hashtable 包含的函数，函数都是同步的，每个前面都有synchronized,这意味着它是线程安全的。

  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();
        int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
....
}

由此我们也能看出：Hashtable的key、value都不可以为null。

看源码：如果value为空 抛出异常，如果 key为空 key.hashCode会抛出异常

我们都知道：Hashtable 的key 和value 都不能为空，HashMap的key 和value 都可以为空，就是这个原因。

此外，Hashtable中的映射不是有序的。

4、 Hashmap一样，Hashtable也是一个散列表，它也是通过“拉链法”解决哈希冲突的。

Hashtable的“拉链法”相关内容

Hashtable数据存储数组，是由一个Entry数组组成的，而 Entry 本身是多个key,value的链表，其中链表中的每个值都有个next指针，指向本链表的下一个元素。

private transient Entry[] table; 

Hashtable中的key-value都是存储在table数组中的。 如下所示，数据节点Entry的数据结构

private static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
  // 哈希值
     int hash;
     K key;
     V value;
     // 指向的下一个Entry，即链表的下一个节点
     Entry<K,V> next;                                                                                

     // 构造函数
     protected Entry(int hash, K key, V value, Entry<K,V> next) {
         this.hash = hash;
         this.key = key;
         this.value = value;
         this.next = next;
     }                                                                                               

     protected Object clone() {
         return new Entry<K,V>(hash, key, value,
               (next==null ? null : (Entry<K,V>) next.clone()));
     }                                                                                               

     public K getKey() {
         return key;
     }                                                                                               

     public V getValue() {
         return value;
     }                                                                                               

     // 设置value。若value是null，则抛出异常。
     public V setValue(V value) {
         if (value == null)
             throw new NullPointerException();                                                       

         V oldValue = this.value;
         this.value = value;
         return oldValue;
     }                                                                                               

     // 覆盖equals()方法，判断两个Entry是否相等。
     // 若两个Entry的key和value都相等，则认为它们相等。
     public boolean equals(Object o) {
         if (!(o instanceof Map.Entry))
             return false;
         Map.Entry e = (Map.Entry)o;                                                                 

         return (key==null ? e.getKey()==null : key.equals(e.getKey())) &&
            (value==null ? e.getValue()==null : value.equals(e.getValue()));
     }                                                                                               

     public int hashCode() {
         return hash ^ (value==null ? 0 : value.hashCode());
     }                                                                                               

     public String toString() {
         return key.toString()+"="+value.toString();
     }
 }                                                                                                    

从中，我们可以看出 Entry 实际上就是一个单向链表。这也是为什么我们说Hashtable是通过拉链法解决哈希冲突的。

Entry 实现了Map.Entry 接口，即实现getKey(), getValue(), setValue(V value), equals(Object o), hashCode()这些函数。这些都是基本的读取/修改key、value值的函数。

拿put()方法举例： put() 的作用是对外提供接口，让Hashtable对象可以通过put()将“key-value”添加到Hashtable中。

流程大体是先判断 hash值，然后判断equals值

PUT流程图：

如果对hashcode和equals 方法的区别不了解可以参考：Java == ,equals 和 hashcode 的区别和联系(阿里面试)

put 方法的整个流程为：

1. 判断 value 是否为空，为空则抛出异常；
2. 计算 key 的 hash 值，并根据 hash 值获得 key 在 table 数组中的位置 index，如果 table[index] 元素不为空，则进行迭代，如果遇到相同的 key，则直接替换，并返回旧 value；
3. 否则，我们可以将其插入到 table[index] 位置。

public synchronized V put(K key, V value) {
 // Hashtable中不能插入value为null的元素！！！
    if (value == null) {
        throw new NullPointerException();
    }                                                                                                                                         

    // 若“Hashtable中已存在键为key的键值对”，
    // 则用“新的value”替换“旧的value”
    Entry tab[] = table;
    int hash = key.hashCode();
    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)) {
            V old = e.value;
            e.value = value;
            return old;
            }
    }                                                                                                                                         

    // 若“Hashtable中不存在键为key的键值对”，
    // (01) 将“修改统计数”+1
    modCount++;
    // (02) 若“Hashtable实际容量” > “阈值”(阈值=总的容量 * 加载因子)
    //  则调整Hashtable的大小
    if (count >= threshold) {
        // Rehash the table if the threshold is exceeded
        rehash();                                                                                                                             

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

    // (03) 将“Hashtable中index”位置的Entry(链表)保存到e中
    Entry<K,V> e = tab[index];
    // (04) 创建“新的Entry节点”，并将“新的Entry”插入“Hashtable的index位置”，并设置e为“新的Entry”的下一个元素(即“新Entry”为链表表头)。
    tab[index] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
    // (05) 将“Hashtable的实际容量”+1
    count++;
    return null;
}                                                                                                                                             

通过一个实际的例子来演示一下这个过程：

假设我们现在Hashtable的容量为5，已经存在了(5,5)，(13,13)，(16,16)，(17,17)，(21,21)这 5 个键值对，目前他们在Hashtable中的位置如下：

现在，我们插入一个新的键值对，put(16,22)，假设key=16的索引为1.但现在索引1的位置有两个Entry了，所以程序会对链表进行迭代。迭代的过程中，发现其中有一个Entry的key和我们要插入的键值对的key相同，所以现在会做的工作就是将newValue=22替换oldValue=16，然后返回oldValue=16.

然后我们现在再插入一个，put(33,33)，key=33的索引为3，并且在链表中也不存在key=33的Entry，所以将该节点插入链表的第一个位置。

再看一下Get()方法，我们知道Hashtable的时间复杂度是O(1),但你知道它是如何通过散列码的方式做到O(1)的吗？

Hashtable 直接用hash取了hashtable模，用模做了index,然后定位到bucket桶的数组位置，这个位置上面可能有一个hashcode相同的entry链表；然后对这链表进行遍历，找到key等于指定值的entry，因此 时间复杂度为O(1),HashMap,HashTable,HashSet 只要是以Hash为基础的数据结构都是O(1)

参考：HashMap, HashTable，HashSet,TreeMap 的时间复杂度

get() 的作用就是获取key对应的value，没有的话返回null

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

相比较于 put 方法，get 方法则简单很多。其过程就是首先通过 hash()方法求得 key 的哈希值，然后根据 hash 值得到 index 索引（上述两步所用的算法与 put 方法都相同）。然后迭代链表，返回匹配的 key 的对应的 value；找不到则返回 null。  

5、刚才提到 Hashtable 继承了 继承了字典类型：Dictionary类型。而字典类型依赖于： Enumerator

Enumerator实现了方法：Enumeration<T>, Iterator<T>

private class Enumerator<T> implements Enumeration<T>, Iterator<T> {
        Entry<?,?>[] table = Hashtable.this.table;
        int index = table.length;
        Entry<?,?> entry;
        Entry<?,?> lastReturned;
        int type;

        /**
         * Indicates whether this Enumerator is serving as an Iterator
         * or an Enumeration.  (true -> Iterator).
         */
        boolean iterator;

因此：搜索有五种方法进行搜素：

(1) 利用Iterator迭代器,遍历Hashtable的键值对

第一步：根据entrySet()获取Hashtable的“键值对”的Set集合。
第二步：通过Iterator迭代器遍历“第一步”得到的集合。

    Iterator iter=table.entrySet().iterator();

        while(iter.hasNext()){
            Entry entry =(Entry) iter.next();
            //获取key
            String key=(String)entry.getKey();

            Object value=entry.getValue();

            System.out.println("key="+key+"  value="+value);
        }
        

(2) 通过Iterator遍历Hashtable的键

第一步：根据keySet()获取Hashtable的“键”的Set集合。
第二步：通过Iterator迭代器遍历“第一步”得到的集合。

// 假设table是Hashtable对象
// table中的key是String类型，value是Integer类型
String key = null;
Integer integ = null;
Iterator iter = table.keySet().iterator();
while (iter.hasNext()) {
        // 获取key
    key = (String)iter.next();
        // 根据key，获取value
    integ = (Integer)table.get(key);
}

(3)、通过Iterator遍历Hashtable的值

第一步：根据value()获取Hashtable的“值”的集合。
第二步：通过Iterator迭代器遍历“第一步”得到的集合。

// 假设table是Hashtable对象
// table中的key是String类型，value是Integer类型
Integer value = null;
Collection c = table.values();
Iterator iter= c.iterator();
while (iter.hasNext()) {
    value = (Integer)iter.next();
}

(4)、 通过Enumeration遍历Hashtable的键

第一步：根据keys()获取Hashtable的集合。
第二步：通过Enumeration遍历“第一步”得到的集合。

Enumeration enu = table.keys();
while(enu.hasMoreElements()) {
    System.out.println(enu.nextElement());
}   

(5)、 通过Enumeration遍历Hashtable的值

第一步：根据elements()获取Hashtable的集合。
第二步：通过Enumeration遍历“第一步”得到的集合。

Enumeration enu = table.elements();
while(enu.hasMoreElements()) {
    System.out.println(enu.nextElement());
}

遍历测试程序如下：

import java.util.Collection;
import java.util.Enumeration;
import java.util.Hashtable;
import java.util.Iterator;
import java.util.Map.Entry;

public class hashtabletest {

    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub

        Hashtable table =new Hashtable();

        table.put("张三",20);
        table.put("李四",30);
        table.put("王五", 50);

//        4.1 遍历Hashtable的键值对
//
//        第一步：根据entrySet()获取Hashtable的“键值对”的Set集合。
//        第二步：通过Iterator迭代器遍历“第一步”得到的集合。
        Iterator iter=table.entrySet().iterator();

        while(iter.hasNext()){
            Entry entry =(Entry) iter.next();
            //获取key
            String key=(String)entry.getKey();

            Object value=entry.getValue();

            System.out.println("key="+key+"  value="+value);
        }

//        //4.2 通过Iterator遍历Hashtable的键

//第一步：根据keySet()获取Hashtable的“键”的Set集合。
//第二步：通过Iterator迭代器遍历“第一步”得到的集合。

        Iterator itkey=table.keySet().iterator();
        while(itkey.hasNext()){

      String key=(String)        itkey.next();
      Object value=table.get(key);

      System.out.println("key=="+key+"  value="+value);
        }

//        4.3 通过Iterator遍历Hashtable的值
//
//        第一步：根据value()获取Hashtable的“值”的集合。
//        第二步：通过Iterator迭代器遍历“第一步”得到的集合。

    Collection c=      table.values();
    Iterator itvalue=c.iterator();
    while(itvalue.hasNext()){

        Object value =itvalue.next();        

        System.out.println(" value="+value);
    }

//    4.4 通过Enumeration遍历Hashtable的键
//
//    第一步：根据keys()获取Hashtable的集合。
//    第二步：通过Enumeration遍历“第一步”得到的集合。

    Enumeration enu=table.keys();
    while(enu.hasMoreElements()){

        System.out.println("elements="+enu.nextElement());
    }

//    4.5 通过Enumeration遍历Hashtable的值
//    第一步：根据elements()获取Hashtable的集合。
//    第二步：通过Enumeration遍历“第一步”得到的集合。

    Enumeration entry=table.elements();
    while(entry.hasMoreElements()){

        System.out.println(" element111s ="+entry.nextElement());
    }

    }

}

结果为：

key=王五  value=50
key=张三  value=20
key=李四  value=30
key==王五  value=50
key==张三  value=20
key==李四  value=30
 value=50
 value=20
 value=30
elements=王五
elements=张三
elements=李四
 element111s =50
 element111s =20
 element111s =30

6、其他的函数

(1) contains() 和 containsValue()

contains() 和 containsValue() 的作用都是判断Hashtable是否包含“值(value)”

public boolean containsValue(Object value) {
    return contains(value);
  }

remove()   remove() 的作用就是删除Hashtable中键为key的元素

Hashtable实现的Cloneable接口  Hashtable实现了Cloneable接口，即实现了clone()方法。

clone()方法的作用很简单，就是克隆一个Hashtable对象并返回。

Hashtable实现的Serializable接口,分别实现了串行读取、写入功能。

串行写入函数就是将Hashtable的“总的容量，实际容量，所有的Entry”都写入到输出流中
串行读取函数：根据写入方式读出将Hashtable的“总的容量，实际容量，所有的Entry”依次读出

参考：深入Java集合学习系列：Hashtable的实现原理
参考：HashTable的实现原理分析