面試必備：HashMap、Hashtable、ConcurrentHashMap的原理與區別

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若是你去面試，面試官不問你這個問題，你來找我^_^

下面直接來乾貨，先說這三個Map的區別：

HashTable

• 底層數組+鏈表實現，不管key仍是value都不能爲null，線程安全，實現線程安全的方式是在修改數據時鎖住整個HashTable，效率低，ConcurrentHashMap作了相關優化
• 初始size爲11，擴容：newsize = olesize*2+1
• 計算index的方法：index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length

HashMap

• 底層數組+鏈表實現，可以存儲null鍵和null值，線程不安全
• 初始size爲16，擴容：newsize = oldsize*2，size必定爲2的n次冪
• 擴容針對整個Map，每次擴容時，原來數組中的元素依次從新計算存放位置，並從新插入
• 插入元素後才判斷該不應擴容，有可能無效擴容（插入後若是擴容，若是沒有再次插入，就會產生無效擴容）
• 當Map中元素總數超過Entry數組的75%，觸發擴容操做，爲了減小鏈表長度，元素分配更均勻
• 計算index方法：index = hash & (tab.length – 1)

 

HashMap的初始值還要考慮加載因子:

•  哈希衝突：若干Key的哈希值按數組大小取模後，若是落在同一個數組下標上，將組成一條Entry鏈，對Key的查找須要遍歷Entry鏈上的每一個元素執行equals()比較。
• 加載因子：爲了下降哈希衝突的機率，默認當HashMap中的鍵值對達到數組大小的75%時，即會觸發擴容。所以，若是預估容量是100，即須要設定100/0.75＝134的數組大小。
• 空間換時間：若是但願加快Key查找的時間，還能夠進一步下降加載因子，加大初始大小，以下降哈希衝突的機率。

HashMap和Hashtable都是用hash算法來決定其元素的存儲，所以HashMap和Hashtable的hash表包含以下屬性：

• 容量（capacity）：hash表中桶的數量
• 初始化容量（initial capacity）：建立hash表時桶的數量，HashMap容許在構造器中指定初始化容量
• 尺寸（size）：當前hash表中記錄的數量
• 負載因子（load factor）：負載因子等於「size/capacity」。負載因子爲0，表示空的hash表，0.5表示半滿的散列表，依此類推。輕負載的散列表具備衝突少、適宜插入與查詢的特色（可是使用Iterator迭代元素時比較慢）

除此以外，hash表裏還有一個「負載極限」，「負載極限」是一個0～1的數值，「負載極限」決定了hash表的最大填滿程度。當hash表中的負載因子達到指定的「負載極限」時，hash表會自動成倍地增長容量（桶的數量），並將原有的對象從新分配，放入新的桶內，這稱爲rehashing。

HashMap和Hashtable的構造器容許指定一個負載極限，HashMap和Hashtable默認的「負載極限」爲0.75，這代表當該hash表的3/4已經被填滿時，hash表會發生rehashing。

「負載極限」的默認值（0.75）是時間和空間成本上的一種折中：

• 較高的「負載極限」能夠下降hash表所佔用的內存空間，但會增長查詢數據的時間開銷，而查詢是最頻繁的操做（HashMap的get()與put()方法都要用到查詢）
• 較低的「負載極限」會提升查詢數據的性能，但會增長hash表所佔用的內存開銷

程序猿能夠根據實際狀況來調整「負載極限」值。

ConcurrentHashMap

• 底層採用分段的數組+鏈表實現，線程安全
• 經過把整個Map分爲N個Segment，能夠提供相同的線程安全，可是效率提高N倍，默認提高16倍。(讀操做不加鎖，因爲HashEntry的value變量是 volatile的，也能保證讀取到最新的值。)
• Hashtable的synchronized是針對整張Hash表的，即每次鎖住整張表讓線程獨佔，ConcurrentHashMap容許多個修改操做併發進行，其關鍵在於使用了鎖分離技術
• 有些方法須要跨段，好比size()和containsValue()，它們可能須要鎖定整個表而而不只僅是某個段，這須要按順序鎖定全部段，操做完畢後，又按順序釋放全部段的鎖
• 擴容：段內擴容（段內元素超過該段對應Entry數組長度的75%觸發擴容，不會對整個Map進行擴容），插入前檢測需不須要擴容，有效避免無效擴容

 

Hashtable和HashMap都實現了Map接口，可是Hashtable的實現是基於Dictionary抽象類的。Java5提供了ConcurrentHashMap，它是HashTable的替代，比HashTable的擴展性更好。

HashMap基於哈希思想，實現對數據的讀寫。當咱們將鍵值對傳遞給put()方法時，它調用鍵對象的hashCode()方法來計算hashcode，而後找到bucket位置來存儲值對象。當獲取對象時，經過鍵對象的equals()方法找到正確的鍵值對，而後返回值對象。HashMap使用鏈表來解決碰撞問題，當發生碰撞時，對象將會儲存在鏈表的下一個節點中。HashMap在每一個鏈表節點中儲存鍵值對對象。當兩個不一樣的鍵對象的hashcode相同時，它們會儲存在同一個bucket位置的鏈表中，可經過鍵對象的equals()方法來找到鍵值對。若是鏈表大小超過閾值（TREEIFY_THRESHOLD,8），鏈表就會被改造爲樹形結構。

在HashMap中，null能夠做爲鍵，這樣的鍵只有一個，但能夠有一個或多個鍵所對應的值爲null。當get()方法返回null值時，便可以表示HashMap中沒有該key，也能夠表示該key所對應的value爲null。所以，在HashMap中不能由get()方法來判斷HashMap中是否存在某個key，應該用containsKey()方法來判斷。而在Hashtable中，不管是key仍是value都不能爲null。

Hashtable是線程安全的，它的方法是同步的，能夠直接用在多線程環境中。而HashMap則不是線程安全的，在多線程環境中，須要手動實現同步機制。

Hashtable與HashMap另外一個區別是HashMap的迭代器（Iterator）是fail-fast迭代器，而Hashtable的enumerator迭代器不是fail-fast的。因此當有其它線程改變了HashMap的結構（增長或者移除元素），將會拋出ConcurrentModificationException，但迭代器自己的remove()方法移除元素則不會拋出ConcurrentModificationException異常。但這並非一個必定發生的行爲，要看JVM。

先看一下簡單的類圖：

  

從類圖中能夠看出來在存儲結構中ConcurrentHashMap比HashMap多出了一個類Segment，而Segment是一個可重入鎖。

ConcurrentHashMap是使用了鎖分段技術來保證線程安全的。

鎖分段技術：首先將數據分紅一段一段的存儲，而後給每一段數據配一把鎖，當一個線程佔用鎖訪問其中一個段數據的時候，其餘段的數據也能被其餘線程訪問。 

ConcurrentHashMap提供了與Hashtable和SynchronizedMap不一樣的鎖機制。Hashtable中採用的鎖機制是一次鎖住整個hash表，從而在同一時刻只能由一個線程對其進行操做；而ConcurrentHashMap中則是一次鎖住一個桶。

ConcurrentHashMap默認將hash表分爲16個桶，諸如get、put、remove等經常使用操做只鎖住當前須要用到的桶。這樣，原來只能一個線程進入，如今卻能同時有16個寫線程執行，併發性能的提高是顯而易見的。