HashMap和Hashtable的比較

在面試的時候，java集合最容易被問到的知識就是HashMap與Hashtable的比較，通常我們也很容易回答出一下幾點：

1、HashMap是線程不安全的，在多線程環境下會容易產生死鎖，但是單線程環境下運行效率高；Hashtable線程安全的，很多方法都有synchronized修飾，但同時因爲加鎖導致單線程環境下效率較低。

2、HashMap允許有一個key爲null，允許多個value爲null；而Hashtable不允許key或者value爲null。

如果你覺得會到處這兩點就對HashMap、HashTable有很深的瞭解的話，那就大錯特錯！本文將基於JDK1.8的HashMap和Hashtable的源碼進行詳細的比較。

構造函數的比較

HashMap：

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
    if (initialCapacity < 0)
        throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
                                           initialCapacity);
    if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
        initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
    if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
        throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
                                           loadFactor);
    this.loadFactor = loadFactor;
    this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}

//該方法返回大於等於cap的最小2次冪的整數
static final int tableSizeFor(int cap) {
    int n = cap - 1;
    n |= n >>> 1;
    n |= n >>> 2;
    n |= n >>> 4;
    n |= n >>> 8;
    n |= n >>> 16;
    return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}

Hashtable：

public Hashtable(int initialCapacity, float loadFactor) {
    if (initialCapacity < 0)
        throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                           initialCapacity);
    if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
        throw new IllegalArgumentException("Illegal Load: "+loadFactor);

    if (initialCapacity==0)
        initialCapacity = 1;
    this.loadFactor = loadFactor;
    table = new Entry<?,?>[initialCapacity];
    threshold = (int)Math.min(initialCapacity * loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE + 1);
}

public Hashtable() {
    this(11, 0.75f);
}

可以看出HashMap的底層數組的長度必須爲2^n，這樣做的好處是爲以後的hash算法做準備，而Hashtable底層數組的長度可以爲任意值，這就造成了當底層數組長度爲合數的時候，Hashtable的hash算法散射不均勻，容易產生hash衝突。所以，可以清楚的看到Hashtable的默認構造函數底層數組長度爲11（質數），至於爲什麼Hashtable的底層數組用質數較好，請參考博文：
http://blog.csdn.net/liuqiyao_01/article/details/14475159。

Hash算法的比較

hash算法的區別

HashMap：

static final int hash(Object key) {
    int h;
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
//手寫的，源碼在不存在這一句，但是原理是類似的，詳情可以去看putVal方法
int i = (table.length-1) & hash(key)

HashMap的hash算法通過非常規的設計，將底層table長度設計爲2^n（合數），這是HashMap的一處優化。它使用了&運算來代替%運算以減少性能上面的損耗。爲何&運算可以代替%運算呢？

如果兩個整數做&運算，實質是兩個整數轉換爲2進制數後每一個bit位的分別做&運算，所以其最終的運算結果的值不會超過最小的那個數，這個時候只需要搞清楚三點就能明白其實現原理：

1、合數2^n轉換爲2進制的數之後，最高位爲1其餘的位數都爲0，比如16–>10000，32–>100000。那麼，2^n-1轉換爲2進制後，所有的bit位都爲1，比如31–>11111，127–>1111111。所以，hashcode與（2^n-1）做&運算每一個bit位都可以保持原來的值。

2、當hash()方法得到的值<=（table.length-1）,其運算結果就在[0,table.length-1]範圍內均勻散射。當hash()方法得到的值小於table.length-1的時候，運算結果就是該方法的原值。當hash()方法得到的值等於table.length-1的的時候，運算結果爲0。

3、當hash()得到的值>(table.length-1)，此時table.length-1爲較小的數，所以&運算的結果還是在[0,table.length-1]之間。具體實現是這樣的，table.length-1轉化爲2進制的數之後位數小於hash()方法得到的2進制數，所以它的高位只能用0去補齊，又由於&運算的特性，只要有一個爲0那麼都爲0，所以此時相當於轉化爲情況1。

而hash()方法的具體作用是使得table的length較小的時候高低bit都能參與運算，具體分析請參考：https://tech.meituan.com/java-hashmap.html

Hashtable：

int hash = key.hashCode();
//0x7FFFFFFF轉換爲10進制之後是Intger.MAX_VALUE,也就是2^31 - 1
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;

很容易看出Hashtable的hash算法首先使得hash的值小於等於整型數的最大值，再通過%運算實現均勻散射。

由於計算機是底層的運算是基於2進制的，所以HashMap的hash算法使用&運算代替%運算，在運算速度上明顯HashMap的hash算法更優。

擴容的機制的區別

因爲無論是HasHMap或者HashTable的擴容都是基於底層的hash算法的，所以將擴容機制放在hash算法部分講。

HashMap擴容：

final Node<K,V>[] resize() {
    Node<K,V>[] oldTab = table;
    int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
    int oldThr = threshold;
    int newCap, newThr = 0;
    if (oldCap > 0) {
        if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return oldTab;
        }
        else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                 oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
            newThr = oldThr << 1; // 將閾值擴大爲2倍
    }
    else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
        newCap = oldThr;
    else {               // 當threshold的爲0的使用默認的容量，也就是16
        newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
        newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
    }
    if (newThr == 0) {
        float ft = (float)newCap * loadFactor;
        newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                  (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
    }
    threshold = newThr;
    @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
        //新建一個數組長度爲原來2倍的數組
        Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
    table = newTab;
    if (oldTab != null) {
        for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
            Node<K,V> e;
            if ((e = oldTab[j]) != null) {
                oldTab[j] = null;
                if (e.next == null)
                    newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                else if (e instanceof TreeNode)
                    ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                else { 
                    //HashMap在JDK1.8的時候改善了擴容機制，原數組索引i上的鏈表不需要再反轉。
                    // 擴容之後的索引位置只能是i或者i+oldCap（原數組的長度）
                    // 所以我們只需要看hashcode新增的bit爲0或者1。
                   // 假如是0擴容之後就在新數組索引i位置，新增爲1，就在索引i+oldCap位置
                    Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                    Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                    Node<K,V> next;
                    do {
                        next = e.next;
                        // 新增bit爲0，擴容之後在新數組的索引不變
                        if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                            if (loTail == null)
                                loHead = e;
                            else
                                loTail.next = e;
                            loTail = e;
                        }
                        else {  //新增bit爲1，擴容之後在新數組索引變爲i+oldCap（原數組的長度）
                            if (hiTail == null)
                                hiHead = e;
                            else
                                hiTail.next = e;
                            hiTail = e;
                        }
                    } while ((e = next) != null);
                    if (loTail != null) {
                        loTail.next = null;
                        //數組索引位置不變，插入原索引位置
                        newTab[j] = loHead;
                    }
                    if (hiTail != null) {
                        hiTail.next = null;
                        //數組索引位置變化爲j + oldCap
                        newTab[j + oldCap] = hiHead;
                    }
                }
            }
        }
    }
    return newTab;
}

從源碼中可以看出，HashMap數組的擴容的整體思想就是創建一個長度爲原先2倍的數組。然後對原數組進行遍歷和複製。只不過jdk1.8對擴容進行優化，使得擴容不再需要進行鏈表的反轉，只需要知道hashcode新增的bit位爲0還是1。如果是0就在原索引位置，新增索引是1就在oldIndex+oldCap位置。

可能有些人對新增bit位感到困惑。在這裏解釋一下，這裏的新增指的是有效bit位。在上面說到過，兩個整數做&運算，轉換爲2進制的後，看bit位較短的那個數。也就是說bit位較長的數與bit位較短的數做&運算，多出來的bit需要用0來補齊，由於是&運算（只有一個爲0那麼其結果就爲0），所以，新增的0位不是有效的bit位。對應於hash算法來說，通常hashcode的值比較大（轉換爲2進制數後bit爲較多），擴容之後將數組的長度擴大爲2倍，那麼n（數組的長度），轉換爲2進制數後相較於未擴容之前的n多增加了一個1的有效bit位。簡化版的例子如下：

初始容量爲16，那麼15轉換爲二進制數位1111，現在進行一次擴容之後容量變爲32，那麼31轉換爲2進制是爲11111。現有兩個key，一個hashcode爲107轉換爲二進制數後爲1101011，另一個的hashcode是379轉換爲二進制數後爲101111011。在容量爲16的時候，這兩個key，具體計算索引過程爲：

0001111 & 1101011 = 1011 000001111 & 101111011 = 1011 轉換爲10進制數後都爲11。

現在來看一下擴容之後兩個key的索引：

0011111 & 1101011 = 1011 000011111 & 101111011 = 11011 一個對應的索引仍然是11，而另一個卻變爲27（27 = 11+16）

Hashtable擴容：

protected void rehash() {
    int oldCapacity = table.length;
    Entry<?,?>[] oldMap = table;

    // overflow-conscious code
    int newCapacity = (oldCapacity << 1) + 1;
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0) {
        if (oldCapacity == MAX_ARRAY_SIZE)
            // Keep running with MAX_ARRAY_SIZE buckets
            return;
        newCapacity = MAX_ARRAY_SIZE;
    }
    Entry<?,?>[] newMap = new Entry<?,?>[newCapacity];

    modCount++;
    threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE + 1);
    table = newMap;

    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;
            //使用頭插法將鏈表反序
            e.next = (Entry<K,V>)newMap[index];
            newMap[index] = e;
        }
    }
}

Hashtable的擴容將先創建一個長度爲原長度2倍的數組，再使用頭插法將鏈表進行反序。

結構的區別

HashMap在jdk1.8在原先的數組+鏈表的結構進行了優化，將實現結構變爲數組+鏈表+紅黑樹，有關紅黑樹的文章詳細請參考博文：http://www.cnblogs.com/skywang12345/p/3245399.html。這裏只需要之後，紅黑樹是近似平衡樹。做這樣的優化，是爲了防止在一個哈希桶位置鏈表過長，影響get等方法的時間。詳細分析用put方法來做舉例：

public V put(K key, V value) {
    return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
               boolean evict) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
    //HashMap在構造方法中只是設置了一些參數，只有到put方法纔會創建底層數組
    //這使用的是懶加載策略
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        n = (tab = resize()).length;
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    else {
        Node<K,V> e; K k;
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            e = p;
        else if (p instanceof TreeNode)
            // 節點爲紅黑樹節點，那麼使用紅黑樹的插入方式
            e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
        else {
            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                if ((e = p.next) == null) {
                    p.next = newNode(hash, key, value, null);
                    //默認情況下當一條鏈的節點個數大於8的時候就需要轉換爲紅黑樹節點
                    //當然對底層數組的長度也有要求，最低長度爲64，否則會先進行擴容
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) 
                        treeifyBin(tab, hash);
                    break;
                }
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    break;
                p = e;
            }
        }
        if (e != null) { // existing mapping for key
            V oldValue = e.value;
            if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                e.value = value;
            afterNodeAccess(e);
            return oldValue;
        }
    }
    ++modCount;
    //put一個元素後檢查size是否大於閾值，大於則需要進行擴容
    if (++size > threshold)
        resize();
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}

從源碼中可以看出基於HashMap爲了防止鏈表過長影響get等方法的性能，在一條鏈表節點元素大於8的時候，會將鏈表封裝成紅黑樹。

再來看一下Hashtable

public synchronized V put(K key, V value) {
    // Make sure the value is not null
    if (value == null) {
        throw new NullPointerException();
    }

    // Makes sure the key is not already in the hashtable.
    Entry<?,?> tab[] = table;
    int hash = key.hashCode();
    int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
    @SuppressWarnings("unchecked")
    Entry<K,V> entry = (Entry<K,V>)tab[index];
    for(; entry != null ; entry = entry.next) {
        if ((entry.hash == hash) && entry.key.equals(key)) {
            V old = entry.value;
            entry.value = value;
            return old;
        }
    }

    addEntry(hash, key, value, index);
    return null;
}

private void addEntry(int hash, K key, V value, int index) {
    modCount++;

    Entry<?,?> tab[] = table;
    if (count >= threshold) {
        // Rehash the table if the threshold is exceeded
        rehash();

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

    // Creates the new entry.
    @SuppressWarnings("unchecked")
    Entry<K,V> e = (Entry<K,V>) tab[index];
    tab[index] = new Entry<>(hash, key, value, e);
    count++;
}

可以看出Hashtable到了jdk1.8了內部結構並沒有實質優化，繼續使用數組+鏈表的方式實現。

總結

可以看出到jdk1.8 HashMap和Hashtable的區別越來越大，HashMap相較與之前的jdk做了很多的優化，最重要的是在內部實現結構上引進了紅黑數還有擴容上的優化。
Hashtable作爲jdk1.2遺留下來的類，到jdk1.8沒有大改，所以對數據的一致性要求較低的話可以使用ConcurrentHashMap來替代Hashtable。