HashMap 和 HashTable 到底哪不同 ?
HashMap 和 HashTable 到底哪不同 ?
HashMap和HashTable有什么不同?在面试和被面试的过程中,我问过也被问过这个问题,也见过了不少回答,今天决定写一写自己心目中的理想答案。
代码版本
JDK每一版本都在改进。本文讨论的HashMap和HashTable基于JDK 1.7.0_67。源码见这里
1. 时间
HashTable产生于JDK 1.1,而HashMap产生于JDK 1.2。从时间的维度上来看,HashMap要比HashTable出现得晚一些。
2. 作者
以下是HashTable的作者:
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以下代码及注释来自java.util.HashTable * @author Arthur van Hoff * @author Josh Bloch * @author Neal Gafter |
以下是HashMap的作者:
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以下代码及注释来自java.util.HashMap * @author Doug Lea * @author Josh Bloch * @author Arthur van Hoff * @author Neal Gafter |
可以看到HashMap的作者多了大神Doug Lea。不了解Doug Lea的,可以看这里。
3. 对外的接口(API)
HashMap和HashTable都是基于哈希表来实现键值映射的工具类。讨论他们的不同,我们首先来看一下他们暴露在外的API有什么不同。
3.1 Public Method
下面两张图,我画出了HashMap和HashTable的类继承体系,并列出了这两个类的可供外部调用的公开方法。
从图中可以看出,两个类的继承体系有些不同。虽然都实现了Map、Cloneable、Serializable三个接口。但是HashMap继承自抽象类AbstractMap,而HashTable继承自抽象类Dictionary。其中Dictionary类是一个已经被废弃的类,这一点我们可以从它代码的注释中看到:
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以下代码及注释来自java.util.Dictionary * <strong>NOTE: This class is obsolete. New implementations should * implement the Map interface , rather than extending this class .</strong> |
同时我们看到HashTable比HashMap多了两个公开方法。一个是elements,这来自于抽象类Dictionary,鉴于该类已经废弃,所以这个方法也就没什么用处了。另一个多出来的方法是contains,这个多出来的方法也没什么用,因为它跟containsValue方法功能是一样的。代码为证:
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以下代码及注释来自java.util.HashTable public synchronized boolean contains(Object value) { if (value == null ) { throw new NullPointerException(); } Entry tab[] = table; for ( int i = tab.length ; i-- > 0 ;) { for (Entry<K,V> e = tab[i] ; e != null ; e = e.next) { if (e.value.equals(value)) { return true ; } } } return false ; } public boolean containsValue(Object value) { return contains(value); } |
所以从公开的方法上来看,这两个类提供的,是一样的功能。都提供键值映射的服务,可以增、删、查、改键值对,可以对建、值、键值对提供遍历视图。支持浅拷贝,支持序列化。
3.2 Null Key & Null Value
HashMap是支持null键和null值的,而HashTable在遇到null时,会抛出NullPointerException异常。这并不是因为HashTable有什么特殊的实现层面的原因导致不能支持null键和null值,这仅仅是因为HashMap在实现时对null做了特殊处理,将null的hashCode值定为了0,从而将其存放在哈希表的第0个bucket中。我们一put方法为例,看一看代码的细节:
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以下代码及注释来自java.util.HashTable public synchronized V put(K key, V value) { // 如果value为null,抛出NullPointerException if (value == null ) { throw new NullPointerException(); } // 如果key为null,在调用key.hashCode()时抛出NullPointerException // ... } 以下代码及注释来自java.util.HasMap public V put(K key, V value) { if (table == EMPTY_TABLE) { inflateTable(threshold); } // 当key为null时,调用putForNullKey特殊处理 if (key == null ) return putForNullKey(value); // ... } private V putForNullKey(V value) { // key为null时,放到table[0]也就是第0个bucket中 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 ; } |
4. 实现原理
本节讨论HashMap和HashTable在数据结构和算法层面,有什么不同。
4.1 数据结构
HashMap和HashTable都使用哈希表来存储键值对。在数据结构上是基本相同的,都创建了一个继承自Map.Entry的私有的内部类Entry,每一个Entry对象表示存储在哈希表中的一个键值对。
Entry对象唯一表示一个键值对,有四个属性:
-K key 键对象
-V value 值对象
-int hash 键对象的hash值
-Entry entry 指向链表中下一个Entry对象,可为null,表示当前Entry对象在链表尾部
可以说,有多少个键值对,就有多少个Entry对象,那么在HashMap和HashTable中是怎么存储这些Entry对象,以方便我们快速查找和修改的呢?请看下图。
上图画出的是一个桶数量为8,存有5个键值对的HashMap/HashTable的内存布局情况。可以看到HashMap/HashTable内部创建有一个Entry类型的引用数组,用来表示哈希表,数组的长度,即是哈希桶的数量。而数组的每一个元素都是一个Entry引用,从Entry对象的属性里,也可以看出其是链表的节点,每一个Entry对象内部又含有另一个Entry对象的引用。
这样就可以得出结论,HashMap/HashTable内部用Entry数组实现哈希表,而对于映射到同一个哈希桶(数组的同一个位置)的键值对,使用Entry链表来存储(解决hash冲突)。
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以下代码及注释来自java.util.HashTable /** * The hash table data. */ private transient Entry<K,V>[] table; 以下代码及注释来自java.util.HashMap /** * The table, resized as necessary. Length MUST Always be a power of two. */ transient Entry<K,V>[] table = (Entry<K,V>[]) EMPTY_TABLE; |
从代码可以看到,对于哈希桶的内部表示,两个类的实现是一致的。
4.2 算法
上一小节已经说了用来表示哈希表的内部数据结构。HashMap/HashTable还需要有算法来将给定的键key,映射到确定的hash桶(数组位置)。需要有算法在哈希桶内的键值对多到一定程度时,扩充哈希表的大小(数组的大小)。本小节比较这两个类在算法层面有哪些不同。
初始容量大小和每次扩充容量大小的不同。先看代码:
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以下代码及注释来自java.util.HashTable // 哈希表默认初始大小为11 public Hashtable() { this ( 11 , 0 .75f); } protected void rehash() { int oldCapacity = table.length; Entry<K,V>[] oldMap = table; // 每次扩容为原来的2n+1 int newCapacity = (oldCapacity << 1 ) + 1 ; // ... } 以下代码及注释来自java.util.HashMap // 哈希表默认初始大小为2^4=16 static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4 ; // aka 16 void addEntry( int hash, K key, V value, int bucketIndex) { // 每次扩充为原来的2n if ((size >= threshold) && ( null != table[bucketIndex])) { resize( 2 * table.length); } |
可以看到HashTable默认的初始大小为11,之后每次扩充为原来的2n+1。HashMap默认的初始化大小为16,之后每次扩充为原来的2倍。还有我没列出代码的一点,就是如果在创建时给定了初始化大小,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。我们知道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(具体证明,见这篇文章),所以单从这一点上看,HashTable的哈希表大小选择,似乎更高明些。但另一方面我们又知道,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。所以从hash计算的效率上,又是HashMap更胜一筹。
所以,事实就是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。具体我们来看看,在获取了key对象的hashCode之后,HashTable和HashMap分别是怎样将他们hash到确定的哈希桶(Entry数组位置)中的。
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以下代码及注释来自java.util.HashTable // hash 不能超过Integer.MAX_VALUE 所以要取其最小的31个bit int hash = hash(key); int index = (hash & 0x7FFFFFFF ) % tab.length; // 直接计算key.hashCode() private int hash(Object k) { // hashSeed will be zero if alternative hashing is disabled. return hashSeed ^ k.hashCode(); } 以下代码及注释来自java.util.HashMap int hash = hash(key); int i = indexFor(hash, table.length); // 在计算了key.hashCode()之后,做了一些位运算来减少哈希冲突 final int hash(Object k) { int h = hashSeed; if ( 0 != h && k instanceof String) { return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k); } h ^= k.hashCode(); // This function ensures that hashCodes that differ only by // constant multiples at each bit position have a bounded // number of collisions (approximately 8 at default load factor). h ^= (h >>> 20 ) ^ (h >>> 12 ); return h ^ (h >>> 7 ) ^ (h >>> 4 ); } // 取模不再需要做除法 static int indexFor( int h, int length) { // assert Integer.bitCount(length) == 1 : "length must be a non-zero power of 2"; return h & (length- 1 ); } |
正如我们所言,HashMap由于使用了2的幂次方,所以在取模运算时不需要做除法,只需要位的与运算就可以了。但是由于引入的hash冲突加剧问题,HashMap在调用了对象的hashCode方法之后,又做了一些位运算在打散数据。关于这些位计算为什么可以打散数据的问题,本文不再展开了。感兴趣的可以看这里。
如果你有细心读代码,还可以发现一点,就是HashMap和HashTable在计算hash时都用到了一个叫hashSeed的变量。这是因为映射到同一个hash桶内的Entry对象,是以链表的形式存在的,而链表的查询效率比较低,所以HashMap/HashTable的效率对哈希冲突非常敏感,所以可以额外开启一个可选hash(hashSeed),从而减少哈希冲突。因为这是两个类相同的一点,所以本文不再展开了,感兴趣的看这里。事实上,这个优化在JDK 1.8中已经去掉了,因为JDK 1.8中,映射到同一个哈希桶(数组位置)的Entry对象,使用了红黑树来存储,从而大大加速了其查找效率。
5. 线程安全
我们说HashTable是同步的,HashMap不是,也就是说HashTable在多线程使用的情况下,不需要做额外的同步,而HashMap则不行。那么HashTable是怎么做到的呢?
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以下代码及注释来自java.util.HashTable 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 ; } public Set<K> keySet() { if (keySet == null ) keySet = Collections.synchronizedSet( new KeySet(), this ); return keySet; } |
可以看到,也比较简单,就是公开的方法比如get都使用了synchronized描述符。而遍历视图比如keySet都使用了Collections.synchronizedXXX进行了同步包装。
6. 代码风格
从我的品位来看,HashMap的代码要比HashTable整洁很多。下面这段HashTable的代码,我就觉着有点混乱,不太能接受这种代码复用的方式。
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以下代码及注释来自java.util.HashTable /** * A hashtable enumerator class. This class implements both the * Enumeration and Iterator interfaces, but individual instances * can be created with the Iterator methods disabled. This is necessary * to avoid unintentionally increasing the capabilities granted a user * by passing an Enumeration. */ private class Enumerator<T> implements Enumeration<T>, Iterator<T> { Entry[] table = Hashtable. this .table; int index = table.length; Entry<K,V> entry = null ; Entry<K,V> lastReturned = null ; int type; /** * Indicates whether this Enumerator is serving as an Iterator * or an Enumeration. (true -> Iterator). */ boolean iterator; /** * The modCount value that the iterator believes that the backing * Hashtable should have. If this expectation is violated, the iterator * has detected concurrent modification. */ protected int expectedModCount = modCount; Enumerator( int type, boolean iterator) { this .type = type; this .iterator = iterator; } //... } |
7. HashTable已经被淘汰了,不要在代码中再使用它。
以下描述来自于HashTable的类注释:
If a thread-safe implementation is not needed, it is recommended to use HashMap in place of Hashtable. If a thread-safe highly-concurrent implementation is desired, then it is recommended to use java.util.concurrent.ConcurrentHashMap in place of Hashtable.
简单来说就是,如果你不需要线程安全,那么使用HashMap,如果需要线程安全,那么使用ConcurrentHashMap。HashTable已经被淘汰了,不要在新的代码中再使用它。
8. 持续优化
虽然HashMap和HashTable的公开接口应该不会改变,或者说改变不频繁。但每一版本的JDK,都会对HashMap和HashTable的内部实现做优化,比如上文曾提到的JDK 1.8的红黑树优化。所以,尽可能的使用新版本的JDK吧,除了那些炫酷的新功能,普通的API也会有性能上有提升。
为什么HashTable已经淘汰了,还要优化它?因为有老的代码还在使用它,所以优化了它之后,这些老的代码也能获得性能提升。
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