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HashMap HashTable ConcurrentHashMap实现原理分析

一、HashMap的数据结构

HashMap是基于HashTable(哈希表)实现的，HashMap和HashTable都实现了Map接口，但决定用哪一个之前先要弄清楚它们之间的分别。主要区别有：线程安全性，同步（synchhronization）,以及速度。

1、HashMap几乎等同于HashTable,除了HashMap是非synchronized(线性安全)的，并可以接受null(HashMap可以接受为null的键值（key）和值（value）,而HashTable则不行)。

2、HashMap是非synchronized，而HashTable是synchronized，这意味着Hashtable是线程安全的，多线程可以共享一个HashTable;而如果没有正确同步的话，多个线程是不能共享HashMap的，Java5提供ConcurrentHashMap,它是HashTable的替代，比HashTable 的扩展性更好。

3、另外一个区别是HashMap的迭代器（Iterator）是fail-fast迭代器，而Hashtable的enumerator迭代器不是fail-fast的。所以当有其它线程改变了HashMap的结构（增加或者移除元素），将会抛出ConcurrentModeificationException,但迭代器本身remove（）方法移除元素则不会抛出ConcurrentModeificationException异常，但是并不是一个一定发生的行为，要看JVM。这条同样也是Enumeration和Iterator的区别。

4、由于Hashtable是线程安全的也是synchronized，所以在单线程环境下它比Hashmap要慢。如果你不需要同步，只需要单线程，那么使用Hashmap性能要好过Hashtable。

5、HashMap不能保证随着时间的推移Map中的元素次序是不变的。

二、注意

1、sychronized意味着在一次仅有一个线程能够更改HashTable。也就是说任何线程更新Hashtabled时要首先获得同步锁，其他线程要等到同步锁被释放之后能再次获取同步锁更新。

2、Fail-safe和iterator迭代器相关。如果某个集合对象创建了Iterator,然后其它的线程试图“结构上”更改集合对象，将会抛出ConcurrentModificationException异常，但其它线程可以通过set()方法更改集合对象是允许的，因为这并没有从“结构上”更改集合。但是假如已经从结构上进行了更改，再调用set()方法，将会抛出illegalArgumentException异常。

3、结构上的更改指的是删除或者插入一个元素，这样会影响到map的结构。

三、HashMap HashTable ConcurrentHashMap的数据结构和扩容机制对比

1、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。

扩容：初始计算size为11，扩容newsize=oldsize*2+1。

计算index的方法：index=(hash & 0x7FFFFFFF)%tab.length

哈希表有多种不同的实现方法，我接下来解释的是最常用的一种方法—— 拉链法，我们可以理解为“链表的数组” ，如图：

HashMap HashTable ConcurrentHashMap实现原理分析

从上图我们可以发现哈希表是由数组+链表组成的，一个长度为16的数组中，每个元素存储的是一个链表的头结点。那么这些元素是按照什么样的规则存储到数组中呢。一般情况是通过hash(key)%len获得，也就是元素的key的哈希值对数组长度取模得到。比如上述哈希表中，12%16=12,28%16=12,108%16=12,140%16=12。所以12、28、108以及140都存储在数组下标为12的位置。

HashMap其实也是一个线性的数组实现的,所以可以理解为其存储数据的容器就是一个线性数组。这可能让我们很不解，一个线性的数组怎么实现按键值对来存取数据呢？这里HashMap有做一些处理。

首先HashMap里面实现一个静态内部类Entry，其重要的属性有 key , value, next，从属性key,value我们就能很明显的看出来Entry就是HashMap键值对实现的一个基础bean，我们上面说到HashMap的基础就是一个线性数组，这个数组就是Entry[]，Map里面的内容都保存在Entry[]里面。

/**

* The table, resized as necessary. Length MUST Always be a power of two.

transient Entry[] table;

参考原文

2、HashMap

HashMap在Map.Entry静态内部类实现中存储key-value对。HashMap使用哈希算法，在put和get方法中，它使用hashCode()和equals()方法。当我们通过传递key-value对调用put方法的时候，HashMap使用Key hashCode()和哈希算法来找出存储key-value对的索引。Entry存储在LinkedList中，所以如果存在entry，它使用equals()方法来检查传递的key是否已经存在，如果存在，它会覆盖value，如果不存在，它会创建一个新的entry然后保存。当我们通过传递key调用get方法时，它再次使用hashCode()来找到数组中的索引，然后使用equals()方法找出正确的Entry，然后返回它的值。

底层：数组+链表实现，可以存储null键和null键，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，可能扩容无效（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

计算index方法：index=hash & (tab.length-1)

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链上的每一个元素执行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的75%时，即触发扩容。因此，如果预估容量是100，即需要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算法来决定其他元素的存储，因此HashMap和Hashtable的hash表包含如下属性：

容量（capacity）：hash表中桶的数量