HashTable实现原理-程序员宅基地

技术标签: collection  

  有两个类都提供了一个多种用途的hashTable机制,他们都可以将可以key和value结合起来构成键值对通过put(key,value)方法保存起来,然后通过get(key)方法获取相对应的value值。一个是前面提到的HashMap,还有一个就是马上要讲解的HashTable。对于HashTable而言,它在很大程度上和HashMap的实现差不多,如果我们对HashMap比较了解的话,对HashTable的认知会提高很大的帮助。他们两者之间只存在几点的不同,这个后面会阐述。

1.定义

 HashTable在Java中的定义如下:

  1. public  class Hashtable<K,V>  
  2.      extends  Dictionary< K, V>  
  3.       implements  Map< K, V>,  Cloneablejava. io. Serializable

从中可以看出HashTable继承Dictionary类,实现Map接口。其中Dictionary类是任何可将键映射到相应值的类(如 Hashtable)的抽象父类。每个键和每个值都是一个对象。在任何一个 Dictionary 对象中,每个键至多与一个值相关联。Map是"key-value键值对"接口。

    HashTable采用"拉链法"实现哈希表,它定义了几个重要的参数:table、count、threshold、loadFactor、modCount。

   table:为一个Entry[]数组类型,Entry代表了“拉链”的节点,每一个Entry代表了一个键值对,哈希表的"key-value键值对"都是存储在Entry数组中的。

   count:HashTable的大小,注意这个大小并不是HashTable的容器大小,而是他所包含Entry键值对的数量。

   threshold:Hashtable的阈值,用于判断是否需要调整Hashtable的容量。threshold的值="容量*加载因子"。

   loadFactor:加载因子。

    modCount:用来实现“fail-fast”机制的(也就是快速失败)。所谓快速失败就是在并发集合中,其进行迭代操作时,若有其他线程对其进行结构性的修改,这时迭代器会立马感知到,并且立即抛出ConcurrentModificationException异常,而不是等到迭代完成之后才告诉你(你已经出错了)

2.构造方法

        HashTabel中存在5个构造函数。通过这5个构造函数我们构建出一个我想要的HashTable

 1.默认构造函数,容量为11,加载因子为0.75

  1. 1. public Hashtable() {  
  2. 2.         this( 110.75f);  
  3. 3.    }  

2.用指定初始容量和默认的加载因子 (0.75) 构造一个新的空哈希表:

  1. 1. public Hashtable(int initialCapacity) {  
  2. 2.         this(initialCapacity,  0.75f);  
  3. 3.    }  

3.用指定初始容量和指定加载因子构造一个新的空哈希表。其中initHashSeedAsNeeded方法用于初始化hashSeed参数,其中hashSeed用于计算keyhash值,它与keyhashCode进行按位异或运算。这个hashSeed是一个与实例相关的随机值,主要用于解决hash冲突:

  1. 1. public Hashtable(int initialCapacity, float loadFactor) {  
  2. 2.         //验证初始容量  
  3. 3.         if (initialCapacity <  0)  
  4. 4.             throw  new IllegalArgumentException( "Illegal Capacity: "+  
  5. 5.                                               initialCapacity);  
  6. 6.         //验证加载因子  
  7. 7.         if (loadFactor <=  0 || Float.isNaN(loadFactor))  
  8. 8.             throw  new IllegalArgumentException( "Illegal Load: "+loadFactor);  
  9. 9.  
  10. 10.         if (initialCapacity== 0)  
  11. 11.            initialCapacity =  1;  
  12. 12.          
  13. 13.         this.loadFactor = loadFactor;  
  14. 14.          
  15. 15.         //初始化table,获得大小为initialCapacity的table数组  
  16. 16.        table =  new Entry[initialCapacity];  
  17. 17.         //计算阀值  
  18. 18.        threshold = ( int)Math.min(initialCapacity * loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE +  1);  
  19. 19.         //初始化HashSeed值  
  20. 20.        initHashSeedAsNeeded(initialCapacity);  
  21. 21.    }  
  22. 1. private int hash(Object k) {  
  23. 2.         return hashSeed ^ k.hashCode();  
  24. 3.    }  

 4.构造一个与给定的 Map 具有相同映射关系的新哈希表:

  1. 1. public Hashtable(Map<? extends K, ? extends V> t) {    
  2. 2.         //设置table容器大小,其值==t.size * 2 + 1    
  3. 3.         this(Math.max( 2*t.size(),  11),  0.75f);    
  4. 4.        putAll(t);    
  5.     }  

3.主要方法

    HashTableAPI对外提供了许多方法,这些方法能够很好帮助我们操作HashTable,但是这里我只介绍两个最根本的方法:putget

   首先我们先看put方法:将指定 key 映射到此哈希表中的指定 value。注意这里键key和值value都不可为空。

  1. 1. public synchronized V put(K key, V value) {  
  2. 2.         // 确保value不为null  
  3. 3.         if (value ==  null) {  
  4. 4.             throw  new NullPointerException();  
  5. 5.        }  
  6. 6.  
  7. 7.         /* 
  8. 8.         * 确保key在table[]是不重复的 
  9. 9.         * 处理过程: 
  10. 10.         * 1、计算key的hash值,确认在table[]中的索引位置 
  11. 11.         * 2、迭代index索引位置,如果该位置处的链表中存在一个一样的key,则替换其value,返回旧值 
  12. 12.         */  
  13. 13.        Entry tab[] = table;  
  14. 14.         int hash = hash(key);     //计算key的hash值  
  15. 15.         int index = (hash &  0x7FFFFFFF) % tab.length;      //确认该key的索引位置  
  16. 16.         //迭代,寻找该key,替换  
  17. 17.         for (Entry<K,V> e = tab[index] ; e !=  null ; e = e.next) {  
  18. 18.             if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {  
  19. 19.                V old = e.value;  
  20. 20.                e.value = value;  
  21. 21.                 return old;  
  22. 22.            }  
  23. 23.        }  
  24. 24.  
  25. 25.        modCount++;  
  26. 26.         if (count >= threshold) {   //如果容器中的元素数量已经达到阀值,则进行扩容操作  
  27. 27.            rehash();  
  28. 28.            tab = table;  
  29. 29.            hash = hash(key);  
  30. 30.            index = (hash &  0x7FFFFFFF) % tab.length;  
  31. 31.        }  
  32. 32.  
  33. 33.         // 在索引位置处插入一个新的节点  
  34. 34.        Entry<K,V> e = tab[index];  
  35. 35.        tab[index] =  new Entry<>(hash, key, value, e);  
  36. 36.         //容器中元素+1  
  37. 37.        count++;  
  38. 38.         return  null;  
  39. 39.    }  

  put方法的整个处理流程是:计算keyhash值,根据hash值获得keytable数组中的索引位置,然后迭代该key处的Entry链表(我们暂且理解为链表),若该链表中存在一个这个的key对象,那么就直接替换其value值即可,否则在将改key-value节点插入该index索引位置处。

  当程序试图将一个key-value对放入HashMap中时,程序首先根据该 key hashCode() 返回值决定该 Entry 的存储位置:如果两个 Entry  key  hashCode() 返回值相同,那它们的存储位置相同。如果这两个 Entry  key 通过 equals 比较返回 true,新添加 Entry  value 将覆盖集合中原有 Entry value,但key不会覆盖。如果这两个 Entry  key 通过 equals 比较返回 false,新添加的 Entry 将与集合中原有 Entry 形成 Entry 链,而且新添加的 Entry 位于 Entry 链的头部

如下:

  首先我们假设一个容量为5table,存在81013161721。他们在table中位置如下:



 然后我们插入一个数:put(16,22)key=16table的索引位置为1,同时在1索引位置有两个数,程序对该链表进行迭代,发现存在一个key=16,这时要做的工作就是用newValue=22替换oldValue16,并将oldValue=16返回。


put(33,33)key=33所在的索引位置为3,并且在该链表中也没有存在某个key=33的节点,所以就将该节点插入该链表的第一个位置。


   HashTabledput方法中有两个地方需要注意:

    1HashTable的扩容操作,在put方法中,如果需要向table[]中添加Entry元素,会首先进行容量校验,如果容量已经达到了阀值,HashTable就会进行扩容处理rehash(),如下:

  1. 1. protected void rehash() {  
  2. 2.         int oldCapacity = table.length;  
  3. 3.         //元素  
  4. 4.        Entry<K,V>[] oldMap = table;  
  5. 5.  
  6. 6.         //新容量=旧容量 * 2 + 1  
  7. 7.         int newCapacity = (oldCapacity <<  1) +  1;  
  8. 8.         if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE >  0) {  
  9. 9.             if (oldCapacity == MAX_ARRAY_SIZE)  
  10. 10.                 return;  
  11. 11.            newCapacity = MAX_ARRAY_SIZE;  
  12. 12.        }  
  13. 13.          
  14. 14.         //新建一个size = newCapacity 的HashTable  
  15. 15.        Entry<K,V>[] newMap =  new Entry[];  
  16. 16.  
  17. 17.        modCount++;  
  18. 18.         //重新计算阀值  
  19. 19.        threshold = ( int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE +  1);  
  20. 20.         //重新计算hashSeed  
  21. 21.         boolean rehash = initHashSeedAsNeeded(newCapacity);  
  22. 22.  
  23. 23.        table = newMap;  
  24. 24.         //将原来的元素拷贝到新的HashTable中  
  25. 25.         for ( int i = oldCapacity ; i-- >  0 ;) {  
  26. 26.             for (Entry<K,V> old = oldMap[i] ; old !=  null ; ) {  
  27. 27.                Entry<K,V> e = old;  
  28. 28.                old = old.next;  
  29. 29.  
  30. 30.                 if (rehash) {  
  31. 31.                    e.hash = hash(e.key);  
  32. 32.                }  
  33. 33.                 int index = (e.hash &  0x7FFFFFFF) % newCapacity;  
  34. 34.                e.next = newMap[index];  
  35. 35.                newMap[index] = e;  
  36. 36.            }  
  37. 37.        }  
  38. 38.    }  

  在这个rehash()方法中我们可以看到容量扩大两倍+1,同时需要将原来HashTable中的元素一一复制到新的HashTable中,这个过程是比较消耗时间的,同时还需要重新计算hashSeed的,毕竟容量已经变了。这里对阀值啰嗦一下:比如初始值11、加载因子默认0.75,那么这个时候阀值threshold=8,当容器中的元素达到8时,HashTable进行一次扩容操作,容量 = 8 * 2 + 1 =17,而阀值threshold=17*0.75 = 13,当容器元素再一次达到阀值时,HashTable还会进行扩容操作,一次类推。

   2下面是计算key的hash值,这里hashSeed发挥了作用。

  1. 1. private int hash(Object k) {  
  2. 2.         return hashSeed ^ k.hashCode();  
  3.     } 

  相对于put方法,get方法就会比较简单,处理过程就是计算keyhash值,判断在table数组中的索引位置,然后迭代链表,匹配直到找到相对应keyvalue,若没有找到返回null

  1. 1. public synchronized V get(Object key) {  
  2. 2.        Entry tab[] = table;  
  3. 3.         int hash = hash(key);  
  4. 4.         int index = (hash &  0x7FFFFFFF) % tab.length;  
  5. 5.         for (Entry<K,V> e = tab[index] ; e !=  null ; e = e.next) {  
  6. 6.             if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {  
  7. 7.                 return e.value;  
  8. 8.            }  
  9. 9.        }  
  10. 10.         return  null;  
  11. 11.    }  

4.HashMap的区别

1.HashMap可以允许存在一个为nullkey和任意个为nullvalue,但是HashTable中的keyvalue都不允许为null。如下:

HashMap遇到为nullkey时,它会调用putForNullKey方法来进行处理。对于value没有进行任何处理,只要是对象都可以。

  1. if (key == null)
  2. return putForNullKey(value);

而当HashTable遇到null时,他会直接抛出NullPointerException异常信息。

  1. if (value == null) {
  2. throw new NullPointerException();
  3. }

2.Hashtable的方法是同步的,而HashMap的方法不是。所以有人一般都建议如果是涉及到多线程同步时采用HashTable,没有涉及就采用HashMap

3.HashTable有一个contains(Object value),功能和containsValue(Object value)功能一样。 

4.两个遍历方式的内部实现上不同。

HashtableHashMap都使用了 Iterator。而由于历史原因,Hashtable还使用了Enumeration的方式 。

5.哈希值的使用不同,HashTable直接使用对象的hashCode。而HashMap重新计算hash值。代码是这样的: 
int hash = key.hashCode(); 
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length; 
HashMap重新计算hash值,而且用与代替求模: 
int hash = hash(k); 
int i = indexFor(hash, table.length); 

6.HashtableHashMap它们两个内部实现方式的数组的初始大小和扩容的方式。HashTablehash数组默认大小是11,增加的方式是 old*2+1HashMaphash数组的默认大小是16,而且一定是2的指数。


https://blog.csdn.net/evan123mg/article/details/53044512


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