HashMap相關類：Hashtable、LinkHashMap、TreeMap

前言

很高興碰見你~

在 深刻剖析HashMap 文章中我從散列表的角度解析了HashMap，在 深刻解析ConcurrentHashMap：感覺併發編程智慧 解析了ConcurrentHashMap的底層實現原理。本文是HashMap系列文章的第三篇，主要內容是講解與HashMap相關的集合類。

HashMap自己功能已經相對完善，但在某些特殊的情景下，他就顯得無能爲力，如高併發、須要記住key插入順序、給key排序等。實現這些功能每每須要付出必定的代價，在沒有必然的需求情景下，增添這些功能是不必的。於是，爲了提升性能，Java並無把這些特性直接集成到HashMap中，拓展了擁有這些特性的其餘集合類做爲補充：

• 線程安全的ConcurrentHashMap、Hashtable、SynchronizeMap
• 記住插入順序的LinkedHashMap
• 記錄key順序的TreeMap

這樣，咱們就能夠在特定的需求情景下，選擇最適合咱們的集合框架，從而來提升性能。那麼今天這篇文章，主要就是分析這些其餘的集合類的特性、付出的性能代價、與HashMap的區別。

那麼，咱們開始吧~

Hashtable

Hashtable是屬於JDK1.1的第一批集合框架其中之一，其餘的還有Vector、Stack等。這些集合框架因爲設計上的缺陷，致使了性能的瓶頸，在jdk1.2以後就被新的一套集合框架取代，也就是HashMap、ArrayList這些。HashMap在jdk1.8以後進行了全面的優化，而Hashtable依舊保持着舊版本的設計，在不少方面都落後於HashMap。下面主要分析Hashtable在：接口繼承、哈希函數、哈希衝突、擴容方案、線程安全等方面解析他們的不一樣。

接口繼承

Hashtable繼承自Dictionary類而不是AbstractMap，類圖以下（jdk1.8）

Hashtable誕生的時間是比Map早，但爲了兼容新的集合在jdk1.2以後也繼承了Map接口。Dictionary在目前已經徹底被Map取代了，因此更加建議使用繼承自AbstractMap的HashMap。爲了兼容新版本接口還有Hashtable的迭代器：Enumerator。他的接口繼承結構以下：

他不只實現了舊版的Enumeration接口，同時也實現了Iteractor接口，兼容了新的api與使用習慣。這裏關於Hashtable還有一個問題：Hashtable是fast-fail的嗎 ？

fast-fail指的是在使用迭代器遍歷集合過程當中，若是集合發生告終構性改變，如添加數據、擴容、刪除數據等，迭代器會拋出異常。Enumerator自己的實現是沒有fast-fail設計的，但他繼承了Iteractor接口以後，就有了fast-fail。看一下源碼：

public T next() {
    // 這裏在Enumerator的基礎上，增長了fast-fail
    if (Hashtable.this.modCount != expectedModCount)
        throw new ConcurrentModificationException();
    //  nextElement()是Enumeration的接口方法
    return nextElement();
}

private void addEntry(int hash, K key, V value, int index) {
    ...
    // 在添加數據以後，會改變modCount的值
    modCount++;
}

因此，Hashtable自己的設計是有fastfail的，但若是使用的Enumerator，則享受不到這個設計了。

哈希算法

Hashtable的哈希算法很是簡單粗暴，以下代碼

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

獲取key的hashcode，經過直接對數組長度求餘來獲取下標。這裏還有一步是hash & 0x7FFFFFFF，目的是把最高位變成0，把hashcode變成一個非負數。爲了使得hash能夠分佈更加均勻，Hashtable默認控制數組的長度爲一個素數：初始值爲11，每次擴容爲原來的兩倍+1 。

衝突解決

Hashtable使用的是鏈表法，也稱爲拉鍊法。發生衝突以後會轉換爲鏈表。HashMap在jdk1.8以後增長了紅黑樹，因此在劇烈衝突的狀況下，Hashtable的性能降低會比HashMap明顯很是多。

Hashtable的裝載因子與HashMap一致，默認都是0.75，且建議非特殊狀況不要進行修改。

擴容方案

Hashtable的擴容方案也很是簡單粗暴，新建一個長度爲原來的兩倍+1長度的數組，遍歷全部的舊數組的數據，從新hash插入新的數組。他的源碼很是簡單，有興趣能夠看一下：

protected void rehash() {
    int oldCapacity = table.length;
    Entry<?,?>[] oldMap = table;
    // 設置數組長度爲原來的2倍+1
    int newCapacity = (oldCapacity << 1) + 1;
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0) {
        if (oldCapacity == MAX_ARRAY_SIZE)
            // 若是長度達到最大值，則直接返回
            return;
        // 超過最大值設置長度爲最大
        newCapacity = MAX_ARRAY_SIZE;
    }
    // 新建數組
    Entry<?,?>[] newMap = new Entry<?,?>[newCapacity];
	// modcount++，表示發生結構性改變
    modCount++;
    // 初始化裝載因子，改變table引用
    threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE + 1);
    table = newMap;
	// 遍歷全部的數據，從新hash後插入新的數組，這裏使用的是頭插法
    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;
        }
    }
}

線程安全

Hashtable和HashMap最大的不一樣就是線程安全了。jdk1.1的第一批集合框架都被設計爲線程安全，但手段都很是粗暴：直接給全部方法上鎖 。但咱們知道，鎖是一個很是重量級的操做，會嚴重影響性能。Hashtable直接對整個對象上鎖的缺點有：

• 同一時間只能有一個線程在讀或者寫，併發效率極低
• 頻繁上鎖進行系統調用，嚴重影響性能

因此雖然Hashtable實現了必定程度上的線程安全，可是卻付出了很是大的性能代價。這也是爲何在jdk1.2他們立刻就被淘汰了。

不容許空鍵值

容許空鍵值這個設計有利也有弊，在ConcurrentHashMap中也禁止插入空鍵值，但HashMap是容許的。容許value空值會致使get方法返回null時有兩種狀況：

1. 找不到對應的key
2. 找到了可是value爲null；

當get方法返回null時沒法判斷是哪一種狀況，在併發環境下containsKey方法已再也不可靠，須要返回null來表示查詢不到數據。容許key空值須要額外的邏輯處理，佔用了數組空間，且並無多大的實用價值。HashMap支持鍵和值爲null，但基於以上緣由，ConcurrentHashMap是不支持空鍵值。

小結

整體來講，Hashtable屬於舊版本的集合框架，他的設計已經落後了，官方更加推薦使用HashMap；而Hashtable線程安全的特性的同時，也帶來了極大的性能代價，更加推薦使用ConcurrentHashMap來代替Hashtable。

SynchronizeMap

SynchronizeMap這個集合類可能並不太熟悉，他是Collections.synchronizeMap()方法返回的對象，以下：

public static <K,V> Map<K,V> synchronizedMap(Map<K,V> m) {
    return new SynchronizedMap<>(m);
}

SynchronizeMap的做用是保證了線程安全，可是他的方法和Hashtable一致，也是簡單粗暴，直接加鎖，以下圖：

這裏的mutex是什麼呢？直接看到構造器：

final Object      mutex;        // Object on which to synchronize
SynchronizedMap(Map<K,V> m) {
    this.m = Objects.requireNonNull(m);
    // 默認爲本對象
    mutex = this;
}
SynchronizedMap(Map<K,V> m, Object mutex) {
    this.m = m;
    this.mutex = mutex;
}

能夠看到默認鎖的就是對象自己，效果和Hashtable實際上是同樣的。因此，通常狀況下也是不推薦使用這個方法來保證線程安全。

ConcurrentHashMap

前面講到的兩個線程安全的Map集合框架，因爲性能低下而不被推薦使用。ConcurrentHashMap就是來解決這個問題的。關於ConcurrentHashMap的詳細內容，在深刻解析ConcurrentHashMap：感覺併發編程智慧 一文中已經有了具體的介紹，這裏簡單介紹一下ConcurrentHashMap的思路。

ConcurrentHashMap並非和Hashtable同樣採用直接對整個數組進行上鎖，而是對數組上的一個節點上鎖，這樣若是併發訪問的不是同個節點，那麼就無需等待釋放鎖。以下圖：

不一樣線程之間的訪問不一樣的節點不互相干擾，提升了併發訪問的性能。ConcurrentHashMap讀取內容是不須要加鎖的，因此實現了能夠邊寫邊讀，多線程共讀，提升了性能。

這是jdk1.8優化以後的設計結構，jdk1.7以前是分爲多個小數組，鎖的粒度比Hashtable稍小了一些。以下：

鎖的是Segment，每一個Segment對應一個數組。而jdk1.8以後鎖的粒度進一步下降，性能也進一步提升了。

LinkedHashMap

HashMap是沒法記住插入順序的，在一些須要記住插入順序的場景下，HashMap就顯得無能爲力，因此LinkHashMap就應運而生。LinkedHashMap內部新建一個內部節點類LinkedHashMapEntry繼承自HashMap的Node，增長了先後指針。每一個插入的節點，都會使用先後指針聯繫起來，造成一個鏈表，這樣就能夠記住插入的順序，以下圖：

圖中的紅色線表示雙向鏈表的引用。遍歷時從head出發能夠按照插入順序遍歷全部節點。

LinkedHashMap繼承於HashMap，徹底是基於HashMap進行改造的，在HashMap中就能看到LinkedMap的身影，以下：

HashMap.java

// Callbacks to allow LinkedHashMap post-actions
void afterNodeAccess(Node<K,V> p) { }
void afterNodeInsertion(boolean evict) { }
void afterNodeRemoval(Node<K,V> p) { }

HashMap自己已經預留了接口給LinkedHashMap重寫。LinkedHashMap自己的put、remove、get等等方法都是直接使用HashMap的方法。

LinkedHashMap的好處就是記住Node的插入順序，當使用Iteractor遍歷LinkedHashMap時，會按照Node的插入順序遍歷，HashMap則是按照數組的先後順序進行遍歷。

TreeMap

有沒有發現前面兩個集合框架的命名都是 xxHashMap，而TreeMap並非，緣由就在於TreeMap並非散列表，只是實現了散列表的功能。

HashMap的key排列是無序的，hash函數把每一個key都隨機散列到數組中，而若是想要保持key有序，則可使用TreeMap。TreeMap的繼承結構以下：

他繼承自Map體系，實現了Map的接口，同時還實現了NavigationMap接口，該接口拓展了很是多的方便查找key的接口，如最大的key、最小的key等。

TreeMap雖然擁有映射表的功能，可是他底層並非一個映射表，而是一個紅黑樹。他能夠將key進行排序，但同時也失去了HashMap在常數時間複雜度下找到數據的優勢，平均時間複雜度是O(logN）。因此若不是有排序的需求，常規狀況下仍是使用HashMap。

須要注意的是，TreeMap中的元素必須實現Comparable接口或者在TreeMap的構造函數中傳入一個Comparator對象，他們之間才能夠進行比較大小。

TreeMap自己的使用和特性是比較簡單的，核心的重點在於他的底層數據結構：紅黑樹。這是一個比較複雜的數據結構，限於篇幅，筆者會在另外的文章中詳解紅黑樹。

最後

文章詳解了Hashtable這個舊版的集合框架，同時簡單介紹了SynchronizeMap、ConcurrentHashMap、LinkedHashMap、TreeMap。這個類都在HashMap的基礎功能上，拓展了一些新的特性，同時也帶來一些性能上的代價。HashMap並無稱爲功能的集大成者，而是把具體的特性分發到其餘的Map實現類中，這樣作得好處是，咱們不須要在單線程的環境下卻要付出線程安全的代價。因此瞭解這些相關Map實現類的特性以及付出的性能代價，則是咱們學習的重點。

但願文章對你有幫助~

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