JDK源码分析-Hashtable

概述

与 HashMap 类似,Hashtable 也是散列表的实现。它的内部结构可以理解为「数组 + 链表」的形式,结构示意图如下:

Hashtable 的类继承结构与签名如下:

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

Hashtable 的 key 和 value 都不能为空(HashMap 的 key 和 value 都允许为空),并且 key 必须要实现 hashCode 方法和 equals 方法。

PS: Hashtable 目前使用不是很多,若无线程安全的需求,推荐使用 HashMap;若需要线程安全的高并发实现,推荐使用 ConcurrentHashMap。

代码分析

Entry 类

private static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final int hash;
    final K key;
    V value;
    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;
    }
    public boolean equals(Object o) {
        if (!(o instanceof Map.Entry))
            return false;
        Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>)o;
        return (key==null ? e.getKey()==null : key.equals(e.getKey())) &&
           (value==null ? e.getValue()==null : value.equals(e.getValue()));
    }
    public int hashCode() {
        return hash ^ Objects.hashCode(value);
    }
    // ...
}

Entry 类实现了 Map.Entry 接口,是 Hashtable 中的节点类。

成员变量

// Hashtable 内部存储元素的数组
private transient Entry<?,?>[] table;

// Hashtable 的阈值 (int)(capacity * loadFactor)
private int threshold;

// 负载因子
private float loadFactor;

// 数组能够分配的最大容量
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

构造器

// 构造一个空的 Hashtable,初始容量为 11,负载因子为 0.75
public Hashtable() {
    this(11, 0.75f);
}

// 构造一个空的 Hashtable,指定初始容量,负载因子为 0.75
public Hashtable(int initialCapacity) {
    this(initialCapacity, 0.75f);
}

// 构造一个空的 Hashtable,指定初始容量和负载因子
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);
}

// 使用给定的 Map 构造一个 Hashtable
public Hashtable(Map<? extends K, ? extends V> t) {
    this(Math.max(2*t.size(), 11), 0.75f);
    putAll(t);
}

主要方法分析

put 方法

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

    // Makes sure the key is not already in the hashtable.
    Entry<?,?> tab[] = table;
    // 计算 key 在 table 中的索引
    int hash = key.hashCode();
    int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
    // 判断 key 在 table 中是否已存在,若存在,则用 value 替换旧值
    @SuppressWarnings("unchecked")
    Entry<K,V> entry = (Entry<K,V>)tab[index];
    for(; entry != null ; entry = entry.next) {
        if ((entry.hash == hash) && entry.key.equals(key)) {
            V old = entry.value;
            entry.value = value;
            return old;
        }
    }
    // 若不存在,则执行 addEntry 方法,将 key-value 添加到 table
    addEntry(hash, key, value, index);
    return null;
}

可以看到,key 或 value 有一个为空都会抛出 NullPointerException 异常,因此二者都不能为空。

private void addEntry(int hash, K key, V value, int index) {
    modCount++;
    Entry<?,?> tab[] = table;
    if (count >= threshold) {
        // Rehash the table if the threshold is exceeded
        // 超过阈值,则扩容
        rehash();
        tab = table;
        hash = key.hashCode();
        index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
    }
    // Creates the new entry.
    // 将 key-value 添加到 table 中(头插法,即插到链表的头部)
    // 即:先拿到 index 位置的元素,若为空,表示插入 entry 后则只有一个元素;
    //   若不为空,表示该位置已有元素,将已有元素 e 连接到新的 entry 后面
    @SuppressWarnings("unchecked")
    Entry<K,V> e = (Entry<K,V>) tab[index];
    tab[index] = new Entry<>(hash, key, value, e);
    count++;
}

扩容操作 rehash() 如下:

protected void rehash() {
    int oldCapacity = table.length;
    Entry<?,?>[] oldMap = table;
    // overflow-conscious code
    // 新容量为旧容量的 2 倍加 1
    int newCapacity = (oldCapacity << 1) + 1;
    // 若新容量的值超过最大容量 MAX_ARRAY_SIZE,且旧容量为 MAX_ARRAY_SIZE,则直接返回;
    // 若旧容量值不为 MAX_ARRAY_SIZE,则新容量为 MAX_ARRAY_SIZE.
    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 Entry 数组,容量为上面计算的容量大小
    Entry<?,?>[] newMap = new Entry<?,?>[newCapacity];
    modCount++;
    threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE + 1);
    table = newMap;
    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;
            // 注意这里会调换顺序
            e.next = (Entry<K,V>)newMap[index];
            newMap[index] = e;
        }
    }
}

扩容操作,若 index 位置为链表,且插入顺序为 1、2、3,则在该位置的存储顺序为 3、2、1。扩容时,会从前往后读取元素并操作,因此扩容后的顺序为 3、2、1。示意图:

值得注意的是,put 方法(包括后面分析的 get 和 remove 等方法)带有 synchronized 关键字,Hashtable 就是通过这种方式实现线程安全的。这里锁定的是整个 table,因此并发效率较低,这也是高并发场景下推荐使用 ConcurrentHashMap 的原因。

get 方法

public synchronized V get(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 (V)e.value;
        }
    }
    return null;
}

分析过 put 方法后,get 方法和 remove 方法分析起来就比较简单了,它们和 put 方法类似。

remove 方法

public synchronized V remove(Object key) {
    Entry<?,?> tab[] = table;
    int hash = key.hashCode();
    int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
    @SuppressWarnings("unchecked")
    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;
}

三种集合视图 EntrySet、keySet 和 values 分别如下:

private transient volatile Set<K> keySet;
private transient volatile Set<Map.Entry<K,V>> entrySet;
private transient volatile Collection<V> values;

public Set<K> keySet() {
    if (keySet == null)
        keySet = Collections.synchronizedSet(new KeySet(), this);
    return keySet;
}

public Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() {
    if (entrySet==null)
        entrySet = Collections.synchronizedSet(new EntrySet(), this);
    return entrySet;
}

public Collection<V> values() {
    if (values==null)
        values = Collections.synchronizedCollection(new ValueCollection(),
                                                    this);
    return values;
}

小结

1. Hashtable 是散列表的实现,处理散列冲突使用的是链表法,内部结构可以理解为「数组 + 链表」;

2. 默认初始化容量为 11,默认负载因子为 0.75;

3. 线程安全,使用 synchronized 关键字,并发效率低;

4. 若无需保证线程安全,推荐使用 HashMap;若需要线程安全的高并发场景,推荐使用 ConcurrentHashMap。

相关阅读:

JDK源码分析-HashMap(1)

Stay hungry, stay foolish.

原文发布于微信公众号 - WriteOnRead(WriteOnRead)

原文发表时间:2019-05-05

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