Java的HashTable源码解读
作者：理想万岁万万岁
一、介绍
在往期文章中，我们从源码分析了java集合框架中Map一族的HashMap，它为我们提供了保存 <key, value>键值对的一系列方法，底层是基于哈希表+链表+红黑树实现的，但是在多线程并发的环境下，表现出线程不安全的特性，今天我们介绍另一个同样是保存 <key, value>键值对但底层是基于哈希表+链表 且 线程安全的HashTable。
下面看一下HashTable的UML图
二、类的声明
我们来看一下HashMap的声明，可以大致了解他的功能。
public class Hashtable<K,V> extends Dictionary<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, java.io.Serializable
- 继承了Dictionary类，提供了一些字典相关的基本功能如添加、删除、判空、获取元素数量等。
- 实现了Map接口，说明HashMap是一个以<K，V>键值对存储数据的结构
- 实现了Cloneable接口，提供了对象克隆方法，但请注意，是浅克隆。
- 实现了Serializable接口，支持序列化。
Dictionary类是我们在java集合框架学习过程中首次见到的类，我们看一下他是什么
从下面源码中可以看到，Dictionary是一个抽象类，该类中声明的方法全是抽象方法，没有默认实现，且这些抽象方法在Map接口中都有体现，因此我们可以忽略Dictionary类，将注意点都放在HashTable本身。
另外还需要注意到一个事实，在Dictionary的文档中我们看到，jdk已经建议我们忽略它，并且将用Map接口代替它。
/**
* NOTE: This class is obsolete. New implementations should implement the Map interface, rather than extending this class.
*
**/
public abstract class Dictionary<K,V> {
public Dictionary() {
}
abstract public int size();
abstract public boolean isEmpty();
abstract public Enumeration<K> keys();
abstract public Enumeration<V> elements();
abstract public V get(Object key);
abstract public V put(K key, V value);
abstract public V remove(Object key);
}三、底层实现
HashTable的底层实现为哈希表+链表，相较于底层为哈希表+链表+红黑树实现的HashMap，少了红黑树的结构，因此并没有那么复杂，如下图所示
四、内部类Entry
在HashTable中，将键值对封装成节点的类为其内部类Entry，该内部类继承于Map接口的内部接口Entry，从上面HashTable的UML图中也有所体现。我们看一下该内部类的源码：
private static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
// 键值对节点中key的哈希值
final int hash;
// 键值对节点中的key
final K key;
// 键值对节点中的value
V value;
// 链表中当前节点的下一个节点
Entry<K,V> next;
protected Entry(int hash, K key, V value, Entry<K,V> next) {
this.hash = hash;
this.key = key;
this.value = value;
this.next = next;
}
}从源码可以看出，HashTable中保存键值对的节点类Entry其实与HashMap中保存键值对的节点类Node是完全相同的。
五、成员变量
// 哈希表中的数组 private transient Entry<?,?>[] table; // 哈希表中键值对节点数量 private transient int count; // 扩容阈值 private int threshold; // 加载因子，默认0.75 private float loadFactor; // 结构性修改次数，用于快速失败 private transient int modCount = 0;
六、构造方法
HashMap提供了以下四个构造方法来创建实例
无参构造
通过默认初始容量11 和 默认加载因子为0.75 构造实例
public Hashtable() {
this(11, 0.75f);
}指定初始容量和加载因子
对指定的初始容量和加载因子进行校验后，设置初始容量大小的数组和加载因子，并计算出扩容阈值。
还记得在HashMap中，数组和扩容阈值都是在第一次扩容时初始化的。而在HashTable中，取消了这种延时初始化。
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);
}指定初始容量
指定初始容量，并使用默认的加载因子0.75。
public Hashtable(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, 0.75f);
}通过传入一个Map对象实例化
通过这种方式构造HashTable实例时，会先创建实例，再调用putAll()方法将map中的数据批量保存到实例中。
注意：在构造HashTable实例时，初始容量为 map容量*2+1 和 默认初始容量11的较小值，
public Hashtable(Map<? extends K, ? extends V> t) {
this(Math.max(2*t.size(), 11), 0.75f);
putAll(t);
}七、扩容方法rehash()
该方法的源码如下，相较于HashMap那么长的扩容resize()方法，是否简单了一点呢？在HashMap的扩容resize()方法中，还要一堆判断去确定数组容量、扩容阈值等信息，而且由于HashMap中数组长度为2的n次方，还需要判断哪些键值对在扩容前后的数组下标是否不变等等。
而在HashTable中，由于在扩容前哈希表就已经完成初始化了，且由于哈希表数组长度可能为任意值，也不存在扩容后键值对位于数组的下标不变的情况，因此，简单粗暴的，直接扩容，然后将原哈希表中的键值对重新计算数组下标，放在扩容后的哈希表中。
要注意一点：在HashMap中，原哈希表中链表上的元素采用尾插法放在新哈希表。而在HashTable中采用的是头插法。
protected void rehash() {
// 扩容前的哈希数组容量
int oldCapacity = table.length;
// 扩容前的哈希数组
Entry<?,?>[] oldMap = table;
// 1.计算扩容后的容量，新容量= 原容量*2 +1
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;
// 2. 遍历原哈希表，将原哈希表中的键值对重新计算数组下标后，通过头插法，放至新的哈希表中。
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;
// 重新计算数组下标
int index = (e.hash & 0x7FFFFFFF) % newCapacity;
// 头插法
e.next = (Entry<K,V>)newMap[index];
newMap[index] = e;
}
}
}八、addEntry()
该方法采用头插法的方式向哈希表中添加元素，在添加元素前，判断是否需要先调用rehash()方法进行扩容。
private void addEntry(int hash, K key, V value, int index) {
modCount++;
Entry<?,?> tab[] = table;
if (count >= threshold) {
// 扩容
rehash();
tab = table;
hash = key.hashCode();
index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
}
// Creates the new entry.
@SuppressWarnings("unchecked")
// 头插法
Entry<K,V> e = (Entry<K,V>) tab[index];
tab[index] = new Entry<>(hash, key, value, e);
count++;
}有一点需要注意，HashTable不像HashMap那样对hashcode()值的高16位和低16位按位与得到hash值，再对数组长度取余，从而得到数组下标，而是直接通过** hashcode()值与 0x7FFFFFFF 按位与，在对数组长度取余，从而得到数组下标**。
我们分析一下index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length
0x7FFFFFFF为16进制表示法，换成2进制为：0111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111共32位，其中最高位为0，而我们知道，在二进制表示中，最高位为0表示正数，1表示负数，因此(hash & 0x7FFFFFFF)表示将key的hashcode()值的最高位设置为0，解决了key的hashcode()值为负数的情况，再对数组长度取余，便可得到数组下标。
九、常用方法
size()
获取哈希表中键值对节点的数量。该方法被synchronized修饰，表示线程安全
public synchronized int size() {
return count;
}
isEmpty()
判断哈希表中是否不存在键值对，该方法被synchronized修饰，表示线程安全
public synchronized boolean isEmpty() {
return count == 0;
}contains() 与 containsValue()
判断哈希表中是否存在指定的value，遍历方式与HashMap相同，该方法被synchronized修饰，表示线程安全
从方法首行的判空语句可知，HashTable中不允许value值为空
public synchronized boolean contains(Object value) {
if (value == null) {
throw new NullPointerException();
}
Entry<?,?> tab[] = table;
for (int i = tab.length ; i-- > 0 ;) {
for (Entry<?,?> e = tab[i] ; e != null ; e = e.next) {
if (e.value.equals(value)) {
return true;
}
}
}
return false;
}
public boolean containsValue(Object value) {
return contains(value);
}containsKey()
判断哈希表中是否存在指定的key，遍历方式与HashMap相同，该方法被synchronized修饰，表示线程安全
从方法第二行int hash = key.hashCode();来看，HashTable中不允许key值为空，否则会抛出空指针异常。
逻辑与HashMap相同，都是先通过计算哈希值确认哈希表中数组的下标，再通过遍历链表的形式，查找是否存在键值对的key与指定的key相同。
public synchronized boolean containsKey(Object key) {
Entry<?,?> tab[] = table;
int hash = key.hashCode();
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
for (Entry<?,?> e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) {
if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {
return true;
}
}
return false;
}get()
根据指定的key，从哈希表中获取该key对应的value，遍历方式与HashMap相同，该方法被synchronized修饰，表示线程安全
public synchronized V get(Object key) {
Entry<?,?> tab[] = table;
// 计算哈希值确认哈希表中数组的下标
int hash = key.hashCode();
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
// 遍历链表，查找到相同的key的键值对，并返回该键值对的value
for (Entry<?,?> e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) {
if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {
return (V)e.value;
}
}
return null;
}put()
将指定的 <key, value> 键值对保存，该方法被synchronized修饰，表示线程安全
从方法首行的判空语句可知，HashTable中不允许value值为空。
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;
// 根据参数key计算出对应的数组下标
int hash = key.hashCode();
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
@SuppressWarnings("unchecked")
Entry<K,V> entry = (Entry<K,V>)tab[index];
// 对该数组下标上的链表进行遍历，如果存在key相等的键值对，则对其对应的value值进行覆盖
for(; entry != null ; entry = entry.next) {
if ((entry.hash == hash) && entry.key.equals(key)) {
V old = entry.value;
// 覆盖value
entry.value = value;
return old;
}
}
// 如果不存在key相等的键值对，则调用addEntry()方法通过头插法保存键值对
addEntry(hash, key, value, index);
return null;
}remove()
public synchronized V remove(Object key) {
Entry<?,?> tab[] = table;
// 计算数组下标
int hash = key.hashCode();
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
@SuppressWarnings("unchecked")
// 遍历该数组下标上的链表
Entry<K,V> e = (Entry<K,V>)tab[index];
for(Entry<K,V> prev = null ; e != null ; prev = e, e = e.next) {
if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {
modCount++;
if (prev != null) {
prev.next = e.next;
} else {
tab[index] = e.next;
}
count--;
V oldValue = e.value;
e.value = null;
return oldValue;
}
}
return null;
}十、总结
- 底层结构为数组+单链表实现的哈希表
- 当出现哈希冲突或扩容，且当前位置为链表时，采用尾插法将节点插入到链表
- 插入的数据是无序的
- 线程安全
- 保存键值对节点的类为Entry，而HashMap中保存键值对节点的类为Node
- 哈希表数组默认初始容量为11，默认加载因子为0.75
- 哈希表数组的容量可任意指定，扩容后的容量 为 扩容前容量*2 + 1
- 哈希表和扩容阈值在构造方法中完成初始化，是即时加载而不是延时初始化
- key和value都不允许为空，在HashMap中为key和value都允许为空。
- HashTable的扩容方法为rehash()，HashMap的扩容方法为resize()
- 先扩容，后插入。在HashMap中为先插入后扩容。
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