Hashtable详细介绍(源码解析)和使用示例

第1部分 Hashtable介绍

Hashtable 简介

 和HashMap一样，Hashtable 也是一个散列表，它存储的内容是键值对(key-value)映射。

Hashtable 继承于Dictionary，实现了Map、Cloneable、java.io.Serializable接口。
Hashtable 的函数都是同步的，这意味着它是线程安全的。它的key、value都不可以为null。此外，Hashtable中的映射不是有序的。

此类实现一个哈希表，该哈希表将键映射到相应的值。任何非 null 对象都可以用作键或值。

为了成功地在哈希表中存储和获取对象，用作键的对象必须实现 hashCode 方法和 equals 方法。

Hashtable 的实例有两个参数影响其性能：初始容量 和 加载因子。容量 是哈希表中桶 的数量，初始容量 就是哈希表创建时的容量。

注意，哈希表的状态为 open：在发生“哈希冲突”的情况下，单个桶会存储多个条目，这些条目必须按顺序搜索。

加载因子 是对哈希表在其容量自动增加之前可以达到多满的一个尺度。初始容量和加载因子这两个参数只是对该实现的提示。

关于何时以及是否调用 rehash 方法的具体细节则依赖于该实现。
通常，默认加载因子是 0.75, 这是在时间和空间成本上寻求一种折衷。加载因子过高虽然减少了空间开销，

但同时也增加了查找某个条目的时间（在大多数 Hashtable 操作中，包括 get 和 put 操作，都反映了这一点）。

Hashtable的构造函数

1.默认构造函数，容量为11，加载因子为0.75。

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

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。

public Hashtable(int initialCapacity) {
        this(initialCapacity, 0.75f);
    }

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。

public Hashtable(int initialCapacity, float loadFactor) {
        //验证初始容量
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                               initialCapacity);
        //验证加载因子
        if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Load: "+loadFactor);

        if (initialCapacity==0)
            initialCapacity = 1;

        this.loadFactor = loadFactor;

        //初始化table，获得大小为initialCapacity的table数组
        table = new Entry[initialCapacity];
        //计算阀值
        threshold = (int)Math.min(initialCapacity * loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE + 1);
        //初始化HashSeed值
        initHashSeedAsNeeded(initialCapacity);
    }

其中initHashSeedAsNeeded方法用于初始化hashSeed参数，其中hashSeed用于计算key的hash值，它与key的hashCode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。

private int hash(Object k) {
        // hashSeed will be zero if alternative hashing is disabled.
        return hashSeed ^ k.hashCode();
    }

4.构造一个与给定的 Map 具有相同映射关系的新哈希表。

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

Hashtable的API

void clear() 
          将此哈希表清空，使其不包含任何键。 
 Object clone() 
          创建此哈希表的浅表副本。 
 boolean contains(Object value) 
          测试此映射表中是否存在与指定值关联的键。 
 boolean containsKey(Object key) 
          测试指定对象是否为此哈希表中的键。 
 boolean containsValue(Object value) 
          如果此 Hashtable 将一个或多个键映射到此值，则返回 true。 
 Enumeration<V> elements() 
          返回此哈希表中的值的枚举。 
 Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() 
          返回此映射中包含的键的 Set 视图。 
 boolean equals(Object o) 
          按照 Map 接口的定义，比较指定 Object 与此 Map 是否相等。 
 V get(Object key) 
          返回指定键所映射到的值，如果此映射不包含此键的映射，则返回 null. 更确切地讲，如果此映射包含满足 (key.equals(k)) 的从键 k 到值 v 的映射，则此方法返回 v；否则，返回 null。 
 int hashCode() 
          按照 Map 接口的定义，返回此 Map 的哈希码值。 
 boolean isEmpty() 
          测试此哈希表是否没有键映射到值。 
 Enumeration<K> keys() 
          返回此哈希表中的键的枚举。 
 Set<K> keySet() 
          返回此映射中包含的键的 Set 视图。 
 V put(K key, V value) 
          将指定 key 映射到此哈希表中的指定 value。 
 void putAll(Map<? extends K,? extends V> t) 
          将指定映射的所有映射关系复制到此哈希表中，这些映射关系将替换此哈希表拥有的、针对当前指定映射中所有键的所有映射关系。 
protected  void rehash() 
          增加此哈希表的容量并在内部对其进行重组，以便更有效地容纳和访问其元素。 
 V remove(Object key) 
          从哈希表中移除该键及其相应的值。 
 int size() 
          返回此哈希表中的键的数量。 
 String toString() 
          返回此 Hashtable 对象的字符串表示形式，其形式为 ASCII 字符 ", " （逗号加空格）分隔开的、括在括号中的一组条目。 
 Collection<V> values() 
          返回此映射中包含的键的 Collection 视图。

第2部分 Hashtable数据结构

Hashtable的继承关系

java.lang.Object
   ↳     java.util.Dictionary<K, V>
         ↳     java.util.Hashtable<K, V>

public class Hashtable<K,V> extends Dictionary<K,V>
    implements Map<K,V>, Cloneable, java.io.Serializable { }

Hashtable与Map关系如下图：

从图中可以看出： 
(01) Hashtable继承于Dictionary类，实现了Map接口。Map是"key-value键值对"接口，Dictionary是声明了操作"键值对"函数接口的抽象类。 
(02) Hashtable是通过"拉链法"实现的哈希表。它包括几个重要的成员变量：table, count, threshold, loadFactor, modCount。
　　table是一个Entry[]数组类型，而Entry实际上就是一个单向链表。哈希表的"key-value键值对"都是存储在Entry数组中的。 
　　count是Hashtable的大小，它是Hashtable保存的键值对的数量。 
　　threshold是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就是加载因子。 
　　modCount是用来实现fail-fast机制的

第3部分 Hashtable主要方法

 HashTable的API对外提供了许多方法，这些方法能够很好帮助我们操作HashTable，

3.1 put()

 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。

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

        /*
         * 确保key在table[]是不重复的
         * 处理过程：
         * 1、计算key的hash值，确认在table[]中的索引位置
         * 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
         */
        Entry tab[] = table;
        //计算key的hash值
        int hash = hash(key);
        //确认该key的索引位置
        int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
        //迭代，寻找该key，替换
        for (Entry<K,V> e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) {
            if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {
                V old = e.value;
                e.value = value;
                return old;
            }
        }

        modCount++;
        //如果容器中的元素数量已经达到阀值，则进行扩容操作
        if (count >= threshold) {
            // Rehash the table if the threshold is exceeded
            rehash();

            tab = table;
            hash = hash(key);

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

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

put方法的整个处理流程是：计算key的hash值，根据hash值获得key在table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。如下：

首先我们假设一个容量为5的table，存在8、10、13、16、17、21。他们在table中位置如下：

然后我们插入一个数：put(16,22)，key=16在table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。

在put(31,31)，key=31所在的索引位置为3，并且在该链表中也没有存在某个key=31的节点，所以就将该节点插入该链表的第一个位置。

在HashTabled的put方法中有两个地方需要注意：

 1、HashTable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:

protected void rehash() {
        int oldCapacity = table.length;
        Entry<K,V>[] 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;
        }
        //新建一个size = newCapacity 的HashTable
        Entry<K,V>[] newMap = new Entry[newCapacity];

        modCount++;
        //重新计算阀值
        threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE + 1);
        //重新计算hashSeed
        boolean rehash = initHashSeedAsNeeded(newCapacity);

        table = newMap;
        //将原来的元素拷贝到新的HashTable中
        for (int i = oldCapacity ; i-- > 0 ;) {
            for (Entry<K,V> old = oldMap[i] ; old != null ; ) {
                Entry<K,V> e = old;
                old = old.next;

                if (rehash) {
                    e.hash = hash(e.key);
                }
                int index = (e.hash & 0x7FFFFFFF) % newCapacity;
                e.next = newMap[index];
                newMap[index] = e;
            }
        }
    }

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，以此类推。

2、其实这里是我的一个疑问，在计算索引位置index时，HashTable进行了一个与运算过程（hash & 0x7FFFFFFF）,

至于为什么要与 0x7FFFFFFF, 那是hashtable 提供的hash算法, hashMap提供了不同的算法, 用户如果要定义自己的算法也是可以的. 

下面是计算key的hash值，这里hashSeed发挥了作用。

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

3.2 get()

相对于put方法，get方法就会比较简单，处理过程就是计算key的hash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key的value,若没有找到返回null。

public synchronized V get(Object key) {
        Entry tab[] = table;
        int hash = hash(key);
        int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
        for (Entry<K,V> e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) {
            if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {
                return e.value;
            }
        }
        return null;
    }

3.3 putAll()

 putAll() 的作用是将“Map(t)”的中全部元素逐一添加到Hashtable中

public synchronized void putAll(Map<? extends K, ? extends V> t) {
        for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : t.entrySet())
            put(e.getKey(), e.getValue());
    }

3.4 clear()

 clear() 的作用是清空Hashtable。它是将Hashtable的table数组的值全部设为null

public synchronized void clear() {
        Entry tab[] = table;
        modCount++;
        for (int index = tab.length; --index >= 0; )
            tab[index] = null;
        count = 0;
    }

3.5 contains() 和 containsValue()

 contains() 和 containsValue() 的作用都是判断Hashtable是否包含“值(value)”

public synchronized boolean contains(Object value) {
        if (value == null) {
            throw new NullPointerException();
        }

        Entry tab[] = table;
        for (int i = tab.length ; i-- > 0 ;) {
            for (Entry<K,V> 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);
    }

3.6 containsKey()

 containsKey() 的作用是判断Hashtable是否包含key

public synchronized boolean containsKey(Object key) {
        Entry tab[] = table;
        int hash = hash(key);
        // 计算索引值，% tab.length 的目的是防止数据越界
        int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
        // 找到“key对应的Entry(链表)”，然后在链表中找出“哈希值”和“键值”与key都相等的元素
        for (Entry<K,V> e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) {
            if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {
                return true;
            }
        }
        return false;
    }

3.7 elements()

 elements() 的作用是返回“所有value”的枚举对象

public synchronized Enumeration<V> elements() {
        return this.<V>getEnumeration(VALUES);
    }
    
// 获取Hashtable的枚举类对象
private <T> Enumeration<T> getEnumeration(int type) {
        if (count == 0) {
            return Collections.emptyEnumeration();
        } else {
            return new Enumerator<>(type, false);
        }
    }

从中，我们可以看出：
(01) 若Hashtable的实际大小为0,则返回“空枚举类”对象emptyEnumerator；
(02) 否则，返回正常的Enumerator的对象。(Enumerator实现了迭代器和枚举两个接口)

先看看emptyEnumerator对象是如何实现的：

public static <T> Enumeration<T> emptyEnumeration() {
        return (Enumeration<T>) EmptyEnumeration.EMPTY_ENUMERATION;
    }

    private static class EmptyEnumeration<E> implements Enumeration<E> {
        static final EmptyEnumeration<Object> EMPTY_ENUMERATION
            = new EmptyEnumeration<>();
                
        // 空枚举类的hasMoreElements() 始终返回false
        public boolean hasMoreElements() { return false; }
        // 空枚举类的nextElement() 抛出异常
        public E nextElement() { throw new NoSuchElementException(); }
    }

我们在来看看Enumeration类

Enumerator的作用是提供了“通过elements()遍历Hashtable的接口” 和 “通过entrySet()遍历Hashtable的接口”。

因为，它同时实现了 “Enumerator接口”和“Iterator接口”。

private class Enumerator<T> implements Enumeration<T>, Iterator<T> {
        Entry[] table = Hashtable.this.table;
        int index = table.length;
        Entry<K,V> entry = null;
        Entry<K,V> lastReturned = null;
        int type;

        /**
         * Indicates whether this Enumerator is serving as an Iterator
         * or an Enumeration.  (true -> Iterator).
         */
        boolean iterator;

        // 在将Enumerator当作迭代器使用时会用到，用来实现fail-fast机制。
        protected int expectedModCount = modCount;

        Enumerator(int type, boolean iterator) {
            this.type = type;
            this.iterator = iterator;
        }
                
                // 从遍历table的数组的末尾向前查找，直到找到不为null的Entry。
        public boolean hasMoreElements() {
            Entry<K,V> e = entry;
            int i = index;
            Entry[] t = table;
            /* Use locals for faster loop iteration */
            while (e == null && i > 0) {
                e = t[--i];
            }
            entry = e;
            index = i;
            return e != null;
        }
                
                
           //从hasMoreElements() 和nextElement() 可以看出“Hashtable的elements()遍历方式”
           // 首先，从后向前的遍历table数组。table数组的每个节点都是一个单向链表(Entry)。
           // 然后，依次向后遍历单向链表Entry。
        public T nextElement() {
            Entry<K,V> et = entry;
            int i = index;
            Entry[] t = table;
            /* Use locals for faster loop iteration */
            while (et == null && i > 0) {
                et = t[--i];
            }
            entry = et;
            index = i;
            if (et != null) {
                Entry<K,V> e = lastReturned = entry;
                entry = e.next;
                return type == KEYS ? (T)e.key : (type == VALUES ? (T)e.value : (T)e);
            }
            throw new NoSuchElementException("Hashtable Enumerator");
        }

        // Iterator methods
        // 迭代器Iterator的判断是否存在下一个元素,实际上，它是调用的hasMoreElements()
        public boolean hasNext() {
            return hasMoreElements();
        }

        public T next() {
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
            return nextElement();
        }
                
        //首先，它在table数组中找出要删除元素所在的Entry，然后，删除单向链表Entry中的元素。
        public void remove() {
            if (!iterator)
                throw new UnsupportedOperationException();
            if (lastReturned == null)
                throw new IllegalStateException("Hashtable Enumerator");
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();

            synchronized(Hashtable.this) {
                Entry[] tab = Hashtable.this.table;
                int index = (lastReturned.hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;

                for (Entry<K,V> e = tab[index], prev = null; e != null;
                     prev = e, e = e.next) {
                    if (e == lastReturned) {
                        modCount++;
                        expectedModCount++;
                        if (prev == null)
                            tab[index] = e.next;
                        else
                            prev.next = e.next;
                        count--;
                        lastReturned = null;
                        return;
                    }
                }
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
        }
    }

3.8 remove()

  remove() 的作用就是删除Hashtable中键为key的元素

public synchronized V remove(Object key) {
        Entry tab[] = table;
        int hash = hash(key);
        int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
        // 找到“key对应的Entry(链表)”，然后在链表中找出要删除的节点，并删除该节点。
        for (Entry<K,V> e = tab[index], 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;
    }

第4部分 Hashtable实现的Cloneable接口

 Hashtable实现了Cloneable接口，即实现了clone()方法。
clone()方法的作用很简单，就是克隆一个Hashtable对象并返回。

public synchronized Object clone() {
        try {
            Hashtable<K,V> t = (Hashtable<K,V>) super.clone();
            t.table = new Entry[table.length];
            for (int i = table.length ; i-- > 0 ; ) {
                t.table[i] = (table[i] != null)
                    ? (Entry<K,V>) table[i].clone() : null;
            }
            t.keySet = null;
            t.entrySet = null;
            t.values = null;
            t.modCount = 0;
            return t;
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            // this shouldn't happen, since we are Cloneable
            throw new InternalError();
        }
    }

第5部分 Hashtable实现的Serializable接口

Hashtable实现java.io.Serializable，分别实现了串行读取、写入功能。

串行写入函数就是将Hashtable的“总的容量，实际容量，所有的Entry”都写入到输出流中
串行读取函数：根据写入方式读出将Hashtable的“总的容量，实际容量，所有的Entry”依次读出

/**
     * Save the state of the Hashtable to a stream (i.e., serialize it).
     *
     * @serialData The <i>capacity</i> of the Hashtable (the length of the
     *             bucket array) is emitted (int), followed by the
     *             <i>size</i> of the Hashtable (the number of key-value
     *             mappings), followed by the key (Object) and value (Object)
     *             for each key-value mapping represented by the Hashtable
     *             The key-value mappings are emitted in no particular order.
     */
    private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
            throws IOException {
        Entry<K, V> entryStack = null;

        synchronized (this) {
            // Write out the length, threshold, loadfactor
            s.defaultWriteObject();

            // Write out length, count of elements
            s.writeInt(table.length);
            s.writeInt(count);

            // Stack copies of the entries in the table
            for (int index = 0; index < table.length; index++) {
                Entry<K,V> entry = table[index];

                while (entry != null) {
                    entryStack =
                        new Entry<>(0, entry.key, entry.value, entryStack);
                    entry = entry.next;
                }
            }
        }

        // Write out the key/value objects from the stacked entries
        while (entryStack != null) {
            s.writeObject(entryStack.key);
            s.writeObject(entryStack.value);
            entryStack = entryStack.next;
        }
    }

    /**
     * Reconstitute the Hashtable from a stream (i.e., deserialize it).
     */
    private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
         throws IOException, ClassNotFoundException
    {
        // Read in the length, threshold, and loadfactor
        s.defaultReadObject();

        // Read the original length of the array and number of elements
        int origlength = s.readInt();
        int elements = s.readInt();

        // Compute new size with a bit of room 5% to grow but
        // no larger than the original size.  Make the length
        // odd if it's large enough, this helps distribute the entries.
        // Guard against the length ending up zero, that's not valid.
        int length = (int)(elements * loadFactor) + (elements / 20) + 3;
        if (length > elements && (length & 1) == 0)
            length--;
        if (origlength > 0 && length > origlength)
            length = origlength;

        Entry<K,V>[] newTable = new Entry[length];
        threshold = (int) Math.min(length * loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE + 1);
        count = 0;
        initHashSeedAsNeeded(length);

        // Read the number of elements and then all the key/value objects
        for (; elements > 0; elements--) {
            K key = (K)s.readObject();
            V value = (V)s.readObject();
            // synch could be eliminated for performance
            reconstitutionPut(newTable, key, value);
        }
        this.table = newTable;
    }

hashtable 的序列化和反序列化例子：

/**
 * hashtale 序列化和反序列化
 * 
 * @ClassName: hashtable_test
 * @author Xingle
 * @date 2014-6-30 上午9:33:04
 */
public class hashtable_test {

    public static void main(String[] args) {

        Hashtable<String, String> ht = new Hashtable<>();
        ht.put("1", "测试hashtable序列化");
        ht.put("2", "天天见");
        System.out.println("序列化前hashtable："+ht);
        new hashtable_test().serializable(ht);

    }

    private void serializable(Hashtable<String, String> ht_int) {

        try {
            ObjectOutputStream out = new ObjectOutputStream(
                    new FileOutputStream("test"));
            out.writeObject(ht_int);
            out.close();
        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        try {
            ObjectInputStream in = new ObjectInputStream(new FileInputStream(
                    "test"));
            Hashtable<String, String> ht_out = (Hashtable<String, String>) in.readObject();
            System.out.println("反序列化后hashtable："+ht_out);
        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }

}