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  • Hashtable,HashMap和ConcurrentHashMap的原理及区别

    一、原理

    Hashtable

    • 底层数组+链表实现,无论key还是value都不能为null,线程安全,实现线程安全的方式是在修改数据时锁住整个HashTable,效率低,ConcurrentHashMap做了相关优化;
    • 初始size为11,扩容:newsize = olesize*2+1;

    HashMap

    • 底层数组+链表实现,可以存储null键和null值,线程不安全;
    • 初始size为16,扩容:newsize = oldsize*2,size一定为2的n次幂;
    • 扩容针对整个Map,每次扩容时,原来数组中的元素依次重新计算存放位置,并重新插入;
    • 插入元素后才判断该不该扩容,有可能无效扩容(插入后如果扩容,如果没有再次插入,就会产生无效扩容);
    • 当Map中元素总数超过Entry数组的75%,触发扩容操作,为了减少链表长度,元素分配更均匀;

    HashMap的初始值还要考虑加载因子:

    •  哈希冲突:若干Key的哈希值按数组大小取模后,如果落在同一个数组下标上,将组成一条Entry链,对Key的查找需要遍历Entry链上的每个元素执行equals()比较。
    • 加载因子:为了降低哈希冲突的概率,默认当HashMap中的键值对达到数组大小的75%时,即会触发扩容。因此,如果预估容量是100,即需要设定100/0.75=134的数组大小。
    • 空间换时间:如果希望加快Key查找的时间,还可以进一步降低加载因子,加大初始大小,以降低哈希冲突的概率。

    HashMap和Hashtable都是用hash算法来决定其元素的存储,因此HashMap和Hashtable的hash表包含如下属性:

    • 容量(capacity):hash表中桶的数量
    • 初始化容量(initial capacity):创建hash表时桶的数量,HashMap允许在构造器中指定初始化容量
    • 尺寸(size):当前hash表中记录的数量
    • 负载因子(load factor):负载因子等于“size/capacity”。负载因子为0,表示空的hash表,0.5表示半满的散列表,依此类推。轻负载的散列表具有冲突少、适宜插入与查询的特点(但是使用Iterator迭代元素时比较慢)
    • 负载极限:是一个0~1的数值,决定了hash表的最大填满程度;“负载极限”的默认值(0.75)是时间和空间成本上的一种折中

    ConcurrentHashMap

    • 底层采用分段的数组+链表实现,线程安全(在JDK1.8之后底层采用的是数组+链表+红黑树实现,摒弃了Segment锁段的概念,启用了一种全新的方式实现,利用CAS算法);
    • 通过把整个Map分为N个Segment,可以提供相同的线程安全,但是效率提升N倍,默认提升16倍。(读操作不加锁,由于HashEntry的value变量是 volatile的,也能保证读取到最新的值。)
    • Hashtable的synchronized是针对整张Hash表的,即每次锁住整张表让线程独占,ConcurrentHashMap允许多个修改操作并发进行,其关键在于使用了锁分离技术;
    • 扩容:段内扩容(段内元素超过该段对应Entry数组长度的75%触发扩容,不会对整个Map进行扩容),插入前检测需不需要扩容,有效避免无效扩容;

    CAS:java.util.concurrent包中借助CAS(Compare and Swap)实现了区别于synchronouse同步锁的一种乐观锁。CAS有3个操作数,内存值V,旧的预期值A,要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时,将内存值V修改为B,否则什么都不做。CAS通过调用JNI的代码实现的。JNI:Java Native Interface为JAVA本地调用,允许java调用其他语言。

    锁分段技术:首先将数据分成一段一段的存储,然后给每一段数据配一把锁,当一个线程占用锁访问其中一个段数据的时候,其他段的数据也能被其他线程访问。

    ConcurrentHashMap提供了与Hashtable和SynchronizedMap不同的锁机制。Hashtable中采用的锁机制是一次锁住整个hash表,从而在同一时刻只能由一个线程对其进行操作;而ConcurrentHashMap中则是一次锁住一个桶。

    ConcurrentHashMap默认将hash表分为16个桶,诸如get、put、remove等常用操作只锁住当前需要用到的桶。这样,原来只能一个线程进入,现在却能同时有16个写线程执行,并发性能的提升是显而易见的。

    二、区别

    1.两者最主要的区别在于Hashtable是线程安全,而HashMap则非线程安全。

    Hashtable是线程安全的,它的每个方法中都加入了Synchronize方法。在多线程并发的环境下,可以直接使用Hashtable,不需要自己为它的方法实现同步。

    HashMap不是线程安全的,在多线程并发的环境下,可能会产生死锁等问题。使用HashMap时就必须要自己增加同步处理。

    虽然HashMap不是线程安全的,但是它的效率会比Hashtable要好很多。这样设计是合理的。在我们的日常使用当中,大部分时间是单线程操作的。HashMap把这部分操作解放出来了。当需要多线程操作的时候可以使用线程安全的ConcurrentHashMap。

    在多线程环境下若使用HashMap需要使用Collections.synchronizedMap()方法来获取一个线程安全的集合(Collections.synchronizedMap()实现原理是Collections定义了一个SynchronizedMap的内部类,这个类实现了Map接口,在调用方法时使用synchronized来保证线程同步,当然了实际上操作的还是我们传入的HashMap实例,简单的说就是Collections.synchronizedMap()方法帮我们在操作HashMap时自动添加了synchronized来实现线程同步,类似的其它Collections.synchronizedXX方法也是类似原理。

    ConcurrentHashMap虽然也是线程安全的,但是它的效率比Hashtable要高好多倍。因为ConcurrentHashMap使用了分段锁,并不对整个数据进行锁定。

    2.HashMap可以使用null作为key,不过建议还是尽量避免这样使用。HashMap以null作为key时,总是存储在table数组的第一个节点上。而Hashtable则不允许null作为key。

    3.HashMap继承了AbstractMap,HashTable继承Dictionary抽象类,两者均实现Map接口。

    4.HashMap的初始容量为16,Hashtable初始容量为11,两者的填充因子默认都是0.75。

    Hashtable默认的初始大小为11,之后每次扩充,容量变为原来的2n+1。HashMap默认的初始化大小为16。之后每次扩充,容量变为原来的2倍。

    创建时,如果给定了容量初始值,那么Hashtable会直接使用你给定的大小,而HashMap会将其扩充为2的幂次方大小。也就是说Hashtable会尽量使用素数、奇数。而HashMap则总是使用2的幂作为哈希表的大小。

    之所以会有这样的不同,是因为Hashtable和HashMap设计时的侧重点不同。Hashtable的侧重点是哈希的结果更加均匀,使得哈希冲突减少。当哈希表的大小为素数时,简单的取模哈希的结果会更加均匀。而HashMap则更加关注hash的计算效率问题。在取模计算时,如果模数是2的幂,那么我们可以直接使用位运算来得到结果,效率要大大高于做除法。HashMap为了加快hash的速度,将哈希表的大小固定为了2的幂。当然这引入了哈希分布不均匀的问题,所以HashMap为解决这问题,又对hash算法做了一些改动。这从而导致了Hashtable和HashMap的计算hash值的方法不同。

    5.HashMap扩容时是当前容量翻倍即:capacity*2,Hashtable扩容时是容量翻倍+1即:capacity*2+1。

    6.HashMap和Hashtable的底层实现都是数组+链表结构实现。

    7.两者计算hash的方法不同。

    为了得到元素的位置,首先需要根据元素的 KEY计算出一个hash值,然后再用这个hash值来计算得到最终的位置。

    Hashtable直接使用对象的hashCode。hashCode是JDK根据对象的地址或者字符串或者数字算出来的int类型的数值。然后再使用除留余数发来获得最终的位置。

    Hashtable在计算元素的位置时需要进行一次除法运算,而除法运算是比较耗时的。
    HashMap为了提高计算效率,将哈希表的大小固定为了2的幂,这样在取模预算时,不需要做除法,只需要做位运算。位运算比除法的效率要高很多。

    HashMap的效率虽然提高了,但是hash冲突却也增加了。因为它得出的hash值的低位相同的概率比较高,而计算位运算。

    为了解决这个问题,HashMap重新根据hashcode计算hash值后,又对hash值做了一些运算来打散数据。使得取得的位置更加分散,从而减少了hash冲突。当然了,为了高效,HashMap只做了一些简单的位处理。从而不至于把使用2 的幂次方带来的效率提升给抵消掉。

    8.遍历方式的内部实现上不同 

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

    HashMap的Iterator是fail-fast迭代器。当有其它线程改变了HashMap的结构(增加,删除,修改元素),将会抛出ConcurrentModificationException。不过,通过Iterator的remove()方法移除元素则不会抛出ConcurrentModificationException异常。但这并不是一个一定发生的行为,要看JVM。

    JDK8之前的版本中,Hashtable是没有fast-fail机制的。在JDK8及以后的版本中 ,HashTable也是使用fast-fail的。

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