面试必备：HashMap、Hashtable、ConcurrentHashMap的原理与区别

本文转载自 夏雪冬日：https://www.cnblogs.com/heyonggang/p/9112731.html

在实际面试过程中出现集合 Map 的概率接近 100%，可见不背上个 Map 相关的题目都不好意思去面试了。

如果你去面试，面试官不问你这个问题，你来找我^_^

下面直接来干货，先说这三个 Map 的区别：

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
初始size为11，扩容：newsize = olesize*2+1
计算index的方法：index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length

2、HashMap

底层数组+链表实现，可以存储null键和null值，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，有可能无效扩容（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大小的75%时，即会触发扩容。因此，如果预估容量是100，即需要设定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
初始化容量（initial capacity）：创建hash表时桶的数量，HashMap允许在构造器中指定初始化容量
尺寸（size）：当前hash表中记录的数量
负载因子（load factor）：负载因子等于“size/capacity”。负载因子为0，表示空的hash表，0.5表示半满的散列表，依此类推。轻负载的散列表具有冲突少、适宜插入与查询的特点（但是使用Iterator迭代元素时比较慢）

除此之外，hash表里还有一个“负载极限”，“负载极限”是一个0～1的数值，“负载极限”决定了hash表的最大填满程度。当hash表中的负载因子达到指定的“负载极限”时，hash表会自动成倍地增加容量（桶的数量），并将原有的对象重新分配，放入新的桶内，这称为rehashing。

HashMap和Hashtable的构造器允许指定一个负载极限，HashMap和Hashtable默认的“负载极限”为0.75，这表明当该hash表的3/4已经被填满时，hash表会发生rehashing。

“负载极限”的默认值（0.75）是时间和空间成本上的一种折中：

较高的“负载极限”可以降低hash表所占用的内存空间，但会增加查询数据的时间开销，而查询是最频繁的操作（HashMap的get()与put()方法都要用到查询）
较低的“负载极限”会提高查询数据的性能，但会增加hash表所占用的内存开销
程序猿可以根据实际情况来调整“负载极限”值。

3、ConcurrentHashMap

底层采用分段的数组+链表实现，线程安全
通过把整个Map分为N个Segment，可以提供相同的线程安全，但是效率提升N倍，默认提升16倍。(读操作不加锁，由于HashEntry的value变量是 volatile的，也能保证读取到最新的值。)
Hashtable的synchronized是针对整张Hash表的，即每次锁住整张表让线程独占，ConcurrentHashMap允许多个修改操作并发进行，其关键在于使用了锁分离技术
有些方法需要跨段，比如size()和containsValue()，它们可能需要锁定整个表而而不仅仅是某个段，这需要按顺序锁定所有段，操作完毕后，又按顺序释放所有段的锁
扩容：段内扩容（段内元素超过该段对应Entry数组长度的75%触发扩容，不会对整个Map进行扩容），插入前检测需不需要扩容，有效避免无效扩容

Hashtable和HashMap都实现了Map接口，但是Hashtable的实现是基于Dictionary抽象类的。Java5提供了ConcurrentHashMap，它是HashTable的替代，比HashTable的扩展性更好。

HashMap基于哈希思想，实现对数据的读写。当我们将键值对传递给put()方法时，它调用键对象的hashCode()方法来计算hashcode，然后找到bucket位置来存储值对象。当获取对象时，通过键对象的equals()方法找到正确的键值对，然后返回值对象。HashMap使用链表来解决碰撞问题，当发生碰撞时，对象将会储存在链表的下一个节点中。HashMap在每个链表节点中储存键值对对象。当两个不同的键对象的hashcode相同时，它们会储存在同一个bucket位置的链表中，可通过键对象的equals()方法来找到键值对。如果链表大小超过阈值（TREEIFY_THRESHOLD,8），链表就会被改造为树形结构。

在HashMap中，null可以作为键，这样的键只有一个，但可以有一个或多个键所对应的值为null。当get()方法返回null值时，即可以表示HashMap中没有该key，也可以表示该key所对应的value为null。因此，在HashMap中不能由get()方法来判断HashMap中是否存在某个key，应该用containsKey()方法来判断。而在Hashtable中，无论是key还是value都不能为null。

Hashtable是线程安全的，它的方法是同步的，可以直接用在多线程环境中。而HashMap则不是线程安全的，在多线程环境中，需要手动实现同步机制。

Hashtable与HashMap另一个区别是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ConcurrentModificationException，但迭代器本身的remove()方法移除元素则不会抛出ConcurrentModificationException异常。但这并不是一个一定发生的行为，要看JVM。

先看一下简单的类图：

从类图中可以看出来在存储结构中ConcurrentHashMap比HashMap多出了一个类Segment，而Segment是一个可重入锁。

ConcurrentHashMap是使用了锁分段技术来保证线程安全的。

锁分段技术：首先将数据分成一段一段的存储，然后给每一段数据配一把锁，当一个线程占用锁访问其中一个段数据的时候，其他段的数据也能被其他线程访问。

ConcurrentHashMap提供了与Hashtable和SynchronizedMap不同的锁机制。Hashtable中采用的锁机制是一次锁住整个hash表，从而在同一时刻只能由一个线程对其进行操作；而ConcurrentHashMap中则是一次锁住一个桶。

ConcurrentHashMap默认将hash表分为16个桶，诸如get、put、remove等常用操作只锁住当前需要用到的桶。这样，原来只能一个线程进入，现在却能同时有16个写线程执行，并发性能的提升是显而易见的。

4、小试牛刀

讲一下HashMap哈HashTable的区别？HashTable和ConcurrentHashMap的区别？

相同点：

底层数组 + 链表实现
都可以用来存储 key-value 的数据

区别：

HashTable 无论key还是value都不能为null，线程安全
HashMap 可以存储null键和null值，线程不安全

我想线程安全但是我又想效率高？

使用 ConcurrentHashMap，其底层采用分段的数组+链表实现，线程安全，通过把 Map 分为 N 个 Segment(部分)，可以提供相同的线程安全，但是效率提升N倍，默认提升16倍。

Hashtable 之所以效率低主要是使用了 synchronized 关键字对 put 等操作进行加锁，而 synchronized 关键字加锁是对整张 Hash 表的，即每次锁住整张表让线程独占，致使效率低下，而 ConcurrentHashMap 在对象中保存了一个 Segment 数组，即将整个Hash表划分为多个分段；而每个Segment元素，即每个分段则类似于一个Hashtable；这样，在执行put操作时首先根据hash算法定位到元素属于哪个Segment，然后对该Segment加锁即可，因此， ConcurrentHashMap 在多线程并发编程中可是实现多线程put操作。

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