HashMap相关类：Hashtable、LinkHashMap、TreeMap

前言

很高兴碰见你~

在 深刻剖析HashMap 文章中我从散列表的角度解析了HashMap，在 深刻解析ConcurrentHashMap：感觉并发编程智慧 解析了ConcurrentHashMap的底层实现原理。本文是HashMap系列文章的第三篇，主要内容是讲解与HashMap相关的集合类。

HashMap自己功能已经相对完善，但在某些特殊的情景下，他就显得无能为力，如高并发、须要记住key插入顺序、给key排序等。实现这些功能每每须要付出必定的代价，在没有必然的需求情景下，增添这些功能是不必的。于是，为了提升性能，Java并无把这些特性直接集成到HashMap中，拓展了拥有这些特性的其余集合类做为补充：

• 线程安全的ConcurrentHashMap、Hashtable、SynchronizeMap
• 记住插入顺序的LinkedHashMap
• 记录key顺序的TreeMap

这样，咱们就能够在特定的需求情景下，选择最适合咱们的集合框架，从而来提升性能。那么今天这篇文章，主要就是分析这些其余的集合类的特性、付出的性能代价、与HashMap的区别。

那么，咱们开始吧~

Hashtable

Hashtable是属于JDK1.1的第一批集合框架其中之一，其余的还有Vector、Stack等。这些集合框架因为设计上的缺陷，致使了性能的瓶颈，在jdk1.2以后就被新的一套集合框架取代，也就是HashMap、ArrayList这些。HashMap在jdk1.8以后进行了全面的优化，而Hashtable依旧保持着旧版本的设计，在不少方面都落后于HashMap。下面主要分析Hashtable在：接口继承、哈希函数、哈希冲突、扩容方案、线程安全等方面解析他们的不一样。

接口继承

Hashtable继承自Dictionary类而不是AbstractMap，类图以下（jdk1.8）

Hashtable诞生的时间是比Map早，但为了兼容新的集合在jdk1.2以后也继承了Map接口。Dictionary在目前已经彻底被Map取代了，因此更加建议使用继承自AbstractMap的HashMap。为了兼容新版本接口还有Hashtable的迭代器：Enumerator。他的接口继承结构以下：

他不只实现了旧版的Enumeration接口，同时也实现了Iteractor接口，兼容了新的api与使用习惯。这里关于Hashtable还有一个问题：Hashtable是fast-fail的吗 ？

fast-fail指的是在使用迭代器遍历集合过程当中，若是集合发生告终构性改变，如添加数据、扩容、删除数据等，迭代器会抛出异常。Enumerator自己的实现是没有fast-fail设计的，但他继承了Iteractor接口以后，就有了fast-fail。看一下源码：

public T next() {
    // 这里在Enumerator的基础上，增长了fast-fail
    if (Hashtable.this.modCount != expectedModCount)
        throw new ConcurrentModificationException();
    //  nextElement()是Enumeration的接口方法
    return nextElement();
}

private void addEntry(int hash, K key, V value, int index) {
    ...
    // 在添加数据以后，会改变modCount的值
    modCount++;
}

因此，Hashtable自己的设计是有fastfail的，但若是使用的Enumerator，则享受不到这个设计了。

哈希算法

Hashtable的哈希算法很是简单粗暴，以下代码

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

获取key的hashcode，经过直接对数组长度求余来获取下标。这里还有一步是hash & 0x7FFFFFFF，目的是把最高位变成0，把hashcode变成一个非负数。为了使得hash能够分布更加均匀，Hashtable默认控制数组的长度为一个素数：初始值为11，每次扩容为原来的两倍+1 。

冲突解决

Hashtable使用的是链表法，也称为拉链法。发生冲突以后会转换为链表。HashMap在jdk1.8以后增长了红黑树，因此在剧烈冲突的状况下，Hashtable的性能降低会比HashMap明显很是多。

Hashtable的装载因子与HashMap一致，默认都是0.75，且建议非特殊状况不要进行修改。

扩容方案

Hashtable的扩容方案也很是简单粗暴，新建一个长度为原来的两倍+1长度的数组，遍历全部的旧数组的数据，从新hash插入新的数组。他的源码很是简单，有兴趣能够看一下：

protected void rehash() {
    int oldCapacity = table.length;
    Entry<?,?>[] oldMap = table;
    // 设置数组长度为原来的2倍+1
    int newCapacity = (oldCapacity << 1) + 1;
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0) {
        if (oldCapacity == MAX_ARRAY_SIZE)
            // 若是长度达到最大值，则直接返回
            return;
        // 超过最大值设置长度为最大
        newCapacity = MAX_ARRAY_SIZE;
    }
    // 新建数组
    Entry<?,?>[] newMap = new Entry<?,?>[newCapacity];
	// modcount++，表示发生结构性改变
    modCount++;
    // 初始化装载因子，改变table引用
    threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE + 1);
    table = newMap;
	// 遍历全部的数据，从新hash后插入新的数组，这里使用的是头插法
    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;
            e.next = (Entry<K,V>)newMap[index];
            newMap[index] = e;
        }
    }
}

线程安全

Hashtable和HashMap最大的不一样就是线程安全了。jdk1.1的第一批集合框架都被设计为线程安全，但手段都很是粗暴：直接给全部方法上锁 。但咱们知道，锁是一个很是重量级的操做，会严重影响性能。Hashtable直接对整个对象上锁的缺点有：

• 同一时间只能有一个线程在读或者写，并发效率极低
• 频繁上锁进行系统调用，严重影响性能

因此虽然Hashtable实现了必定程度上的线程安全，可是却付出了很是大的性能代价。这也是为何在jdk1.2他们立刻就被淘汰了。

不容许空键值

容许空键值这个设计有利也有弊，在ConcurrentHashMap中也禁止插入空键值，但HashMap是容许的。容许value空值会致使get方法返回null时有两种状况：

1. 找不到对应的key
2. 找到了可是value为null；

当get方法返回null时没法判断是哪一种状况，在并发环境下containsKey方法已再也不可靠，须要返回null来表示查询不到数据。容许key空值须要额外的逻辑处理，占用了数组空间，且并无多大的实用价值。HashMap支持键和值为null，但基于以上缘由，ConcurrentHashMap是不支持空键值。

小结

整体来讲，Hashtable属于旧版本的集合框架，他的设计已经落后了，官方更加推荐使用HashMap；而Hashtable线程安全的特性的同时，也带来了极大的性能代价，更加推荐使用ConcurrentHashMap来代替Hashtable。

SynchronizeMap

SynchronizeMap这个集合类可能并不太熟悉，他是Collections.synchronizeMap()方法返回的对象，以下：

public static <K,V> Map<K,V> synchronizedMap(Map<K,V> m) {
    return new SynchronizedMap<>(m);
}

SynchronizeMap的做用是保证了线程安全，可是他的方法和Hashtable一致，也是简单粗暴，直接加锁，以下图：

这里的mutex是什么呢？直接看到构造器：

final Object      mutex;        // Object on which to synchronize
SynchronizedMap(Map<K,V> m) {
    this.m = Objects.requireNonNull(m);
    // 默认为本对象
    mutex = this;
}
SynchronizedMap(Map<K,V> m, Object mutex) {
    this.m = m;
    this.mutex = mutex;
}

能够看到默认锁的就是对象自己，效果和Hashtable实际上是同样的。因此，通常状况下也是不推荐使用这个方法来保证线程安全。

ConcurrentHashMap

前面讲到的两个线程安全的Map集合框架，因为性能低下而不被推荐使用。ConcurrentHashMap就是来解决这个问题的。关于ConcurrentHashMap的详细内容，在深刻解析ConcurrentHashMap：感觉并发编程智慧 一文中已经有了具体的介绍，这里简单介绍一下ConcurrentHashMap的思路。

ConcurrentHashMap并非和Hashtable同样采用直接对整个数组进行上锁，而是对数组上的一个节点上锁，这样若是并发访问的不是同个节点，那么就无需等待释放锁。以下图：

不一样线程之间的访问不一样的节点不互相干扰，提升了并发访问的性能。ConcurrentHashMap读取内容是不须要加锁的，因此实现了能够边写边读，多线程共读，提升了性能。

这是jdk1.8优化以后的设计结构，jdk1.7以前是分为多个小数组，锁的粒度比Hashtable稍小了一些。以下：

锁的是Segment，每一个Segment对应一个数组。而jdk1.8以后锁的粒度进一步下降，性能也进一步提升了。

LinkedHashMap

HashMap是没法记住插入顺序的，在一些须要记住插入顺序的场景下，HashMap就显得无能为力，因此LinkHashMap就应运而生。LinkedHashMap内部新建一个内部节点类LinkedHashMapEntry继承自HashMap的Node，增长了先后指针。每一个插入的节点，都会使用先后指针联系起来，造成一个链表，这样就能够记住插入的顺序，以下图：

图中的红色线表示双向链表的引用。遍历时从head出发能够按照插入顺序遍历全部节点。

LinkedHashMap继承于HashMap，彻底是基于HashMap进行改造的，在HashMap中就能看到LinkedMap的身影，以下：

HashMap.java

// Callbacks to allow LinkedHashMap post-actions
void afterNodeAccess(Node<K,V> p) { }
void afterNodeInsertion(boolean evict) { }
void afterNodeRemoval(Node<K,V> p) { }

HashMap自己已经预留了接口给LinkedHashMap重写。LinkedHashMap自己的put、remove、get等等方法都是直接使用HashMap的方法。

LinkedHashMap的好处就是记住Node的插入顺序，当使用Iteractor遍历LinkedHashMap时，会按照Node的插入顺序遍历，HashMap则是按照数组的先后顺序进行遍历。

TreeMap

有没有发现前面两个集合框架的命名都是 xxHashMap，而TreeMap并非，缘由就在于TreeMap并非散列表，只是实现了散列表的功能。

HashMap的key排列是无序的，hash函数把每一个key都随机散列到数组中，而若是想要保持key有序，则可使用TreeMap。TreeMap的继承结构以下：

他继承自Map体系，实现了Map的接口，同时还实现了NavigationMap接口，该接口拓展了很是多的方便查找key的接口，如最大的key、最小的key等。

TreeMap虽然拥有映射表的功能，可是他底层并非一个映射表，而是一个红黑树。他能够将key进行排序，但同时也失去了HashMap在常数时间复杂度下找到数据的优势，平均时间复杂度是O(logN）。因此若不是有排序的需求，常规状况下仍是使用HashMap。

须要注意的是，TreeMap中的元素必须实现Comparable接口或者在TreeMap的构造函数中传入一个Comparator对象，他们之间才能够进行比较大小。

TreeMap自己的使用和特性是比较简单的，核心的重点在于他的底层数据结构：红黑树。这是一个比较复杂的数据结构，限于篇幅，笔者会在另外的文章中详解红黑树。

最后

文章详解了Hashtable这个旧版的集合框架，同时简单介绍了SynchronizeMap、ConcurrentHashMap、LinkedHashMap、TreeMap。这个类都在HashMap的基础功能上，拓展了一些新的特性，同时也带来一些性能上的代价。HashMap并无称为功能的集大成者，而是把具体的特性分发到其余的Map实现类中，这样作得好处是，咱们不须要在单线程的环境下却要付出线程安全的代价。因此了解这些相关Map实现类的特性以及付出的性能代价，则是咱们学习的重点。

但愿文章对你有帮助~

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