滚雪球学Java(65-1)：Java语言中的Hashtable：从入门到精通

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环境说明：Windows 10 + IntelliJ IDEA 2021.3.2 + Jdk 1.8

前言

  在Java开发中，数据的存储与管理是非常基础且重要的环节。为了提高程序的效率和性能，开发者需要选择合适的数据结构来进行数据的维护和管理。Java提供了许多种数据结构，其中Hashtable是一种常用的数据结构，本文将对其进行详细介绍。

摘要

  Hashtable是Java中的一种容器类，实现了Map接口，可以用来存储键值对。Hashtable中的键和值都不能为null，Hashtable的方法都是线程安全的，但是因为所有的方法都是同步的，所以在多线程情况下会导致性能的下降。

  在本文中，我们将首先对Hashtable的基本概念进行介绍，然后对其源代码进行解析，接着介绍Hashtable的应用场景案例和优缺点分析，最后对Hashtable的类代码方法进行介绍并给出测试用例。

Hashtable

简介

  Hashtable是Java中的一种散列表实现，它实现了Map接口，可以用来存储键值对。Hashtable使用键哈希码来确定键的存储位置，当键的哈希码相同时，使用拉链法来解决哈希冲突。

  Hashtable的方法都是线程安全的，但是因为所有的方法都是同步的，所以在多线程情况下会导致性能的下降。因此，在Java5以后，推荐使用ConcurrentHashMap来代替Hashtable。

源代码解析

  Hashtable的源代码位于Java SDK中的 java.util包中，我们可以通过对其源代码的解析来更好地理解Hashtable的原理和实现。

数据结构

  Hashtable的底层数据结构是哈希表，它是一种以键值对形式存储数据的容器。HashTable中的每个元素都是一个Map.Entry对象，它包含两个属性：key和value。Hashtable中的元素是无序的，使用键进行访问。

插入操作

  当向Hashtable中插入一个元素时，Hashtable会先计算元素的键的哈希码，然后将这个元素插入到哈希表中。如果发现哈希表中已经存在一个具有相同键的元素，那么Hashtable会用新元素替换旧元素。

  哈希表中每个元素都是一个链表，当有多个元素的键的哈希码相同时，会把这些元素用链表串起来，这就是哈希冲突的解决方法。

获取操作

  当我们向Hashtable中获取元素时，Hashtable会首先计算元素的键的哈希码，然后根据哈希码找到该元素对应的链表。接着，Hashtable会遍历链表，找到键与传入的键相同的元素，并返回该元素的值。

删除操作

  当我们向Hashtable中删除元素时，Hashtable会首先计算元素的键的哈希码，然后根据哈希码找到该元素对应的链表。接着，Hashtable会遍历链表，找到键与传入的键相同的元素，并将该元素从链表中删除。

拓展：

  Hashtable是一种实现了Map接口的哈希表，它通过一个散列表来存储键值对。在Hashtable中，每个键都对应着一个值，通过键可以找到对应的值。Hashtable的大小是动态调整的，它会根据当前的键值对数量自动扩容或缩容来保证空间的利用率和查询效率。

Hashtable的源码分析主要包括以下几个部分：

1. 数据结构

  Hashtable内部采用了一个Entry数组来存储键值对，每个Entry包含了一个键、一个值以及一个指向下一个Entry的指针，形成一个链表结构。当发生哈希冲突时，新的键值对会插入到链表的头部，当链表长度超过一定阈值时，会将链表转化为红黑树。

1. 哈希函数

  Hashtable采用了一个简单的哈希函数来将键映射到数组的下标。这个哈希函数的实现比较简单，直接将键的hashCode取模得到数组下标，但由于不同的键具有不同的hashCode，可能会发生哈希冲突。

1. 处理哈希冲突

  Hashtable采用了开链法来处理哈希冲突，当两个键映射到同一个数组下标时，会将新的键值对插入到链表的头部。当链表长度超过一定阈值时，会将链表转化为红黑树来提高查询效率。

1. 动态调整容量

  Hashtable的大小是动态调整的，它会根据当前的键值对数量自动扩容或缩容来保证空间的利用率和查询效率。当Hashtable中键值对的数量超过了负载因子（默认为0.75）乘以容量时，Hashtable会自动扩容，容量会增加为原来的2倍加1。当Hashtable中键值对的数量少于负载因子乘以容量的时候，Hashtable会自动缩容，容量会减少为原来的一半。

1. 线程安全性

  Hashtable是线程安全的，它的方法都被synchronized修饰，可以保证多线程环境下的正确性。但是，这也导致了Hashtable在高并发环境下的性能较差。

  以上是Hashtable的源码分析的主要内容，对于想要深入了解Hashtable的实现原理和细节的开发者，可以通过查看其源码来进一步学习。

  如下是部分源码截图：

应用场景案例

  Hashtable的线程安全性及其适合存储大量键值对的特点，使得它被广泛地应用在Java开发中。下面是一些Hashtable的应用场景案例：

1. 缓存系统。由于Hashtable能够快速地存储和查找键值对，因此可以用来实现缓存系统。
2. 分布式系统。 Hashtable的线程安全性使得其在分布式系统中得到了广泛的应用，可以用来存储分布式系统中各个节点的状态信息。
3. 系统配置。 Hashtable可以用来存储系统中的配置信息，便于系统的管理和配置。

优缺点分析

优点

1. 线程安全。Hashtable的所有方法都是同步的，可以在多线程环境中使用，不需要使用额外的锁来实现线程安全。
2. 可扩展性。Hashtable的大小可以根据需要动态地扩展，可以存储大量的键值对。
3. 易于使用。Hashtable提供了一些常用的方法，如put、get、remove等，使用起来非常方便。

缺点

1. 性能问题。由于Hashtable的所有方法都是同步的，因此在多线程环境中会导致性能问题。在Java5以后，推荐使用ConcurrentHashMap来代替Hashtable。
2. 非空键值。Hashtable中的键和值都不能为null，这限制了其在某些情况下的使用。

类代码方法介绍

构造函数

Hashtable提供了两个构造函数：

public Hashtable()
public Hashtable(int initialCapacity)

第一个构造函数创建一个初始容量为11的哈希表，第二个构造函数可以指定哈希表的初始容量。

常用方法

1. put(K key, V value)

将键值对插入到Hashtable中。如果已经存在具有相同键的元素，则用新元素替换旧元素。

// 将键值对插入到Hashtable中
Hashtable<String, Integer> hashtable = new Hashtable<String, Integer>();
hashtable.put("Java", 1);

  如下是部分源码截图：

1. get(Object key)

根据指定的键获取元素的值。

// 根据键获取元素的值
Integer value = hashtable.get("Java");

1. remove(Object key)

根据指定的键从Hashtable中删除元素。

// 根据键删除元素
hashtable.remove("Java");

其他方法

  Hashtable还提供了一些其他的方法，如containsKey、containsValue、isEmpty、size等，可以根据需要使用。

测试用例

下面是针对Hashtable的几个测试用例：

测试代码演示

package com.demo.javase.day65_1;

import java.util.Hashtable;

/**
 * Hashtable示例演示
 *
 * @Author bug菌
 * @Date 2023-11-06 16:53
 */
public class HashtableTest {

    public static void main(String[] args) {
        // 创建Hashtable实例
        Hashtable<String, Integer> hashtable = new Hashtable<String, Integer>();

        // 添加元素
        hashtable.put("Java", 1);
        hashtable.put("Python", 2);
        hashtable.put("C++", 3);

        // 获取元素的值
        System.out.println(hashtable.get("Java")); // 输出：1
        System.out.println(hashtable.get("Python")); // 输出：2
        System.out.println(hashtable.get("C++")); // 输出：3

        // 删除元素
        hashtable.remove("Java");

        // 判断元素是否存在
        System.out.println(hashtable.containsKey("Java")); // 输出：false
        System.out.println(hashtable.containsKey("Python")); // 输出：true
        System.out.println(hashtable.containsValue(2)); // 输出：true

        // 获取Hashtable的大小
        System.out.println(hashtable.size()); // 输出：2
    }
}

测试结果

  根据如上测试用例，本地测试结果如下，仅供参考，你们也可以自行修改测试用例或者添加更多的测试数据或测试方法，进行熟练学习以此加深理解。

测试代码分析

  根据如上测试用例，在此我给大家进行深入详细的解读一下测试代码，以便于更多的同学能够理解并加深印象。

  该代码演示了如何使用Java中的Hashtable类，其中：

• 创建了一个Hashtable实例并添加了三个元素，每个元素都是一个键值对，键是一个字符串，值是一个整数。
• 使用get()方法获取元素的值，并且输出到控制台。
• 使用remove()方法删除了一个元素。
• 使用containsKey()和containsValue()方法来判断Hashtable中是否包含某个键或值。
• 使用size()方法获取Hashtable的大小，并输出到控制台。

  Hashtable是一个线程安全的哈希表实现类，它的方法基本上与HashMap相同，但是Hashtable的所有方法都是同步的，所以在多线程环境下使用Hashtable会比较安全。但是由于同步的开销，Hashtable的性能通常比HashMap差。在Java 5之后，推荐使用ConcurrentHashMap类来代替Hashtable。

全文小结

  本文简单介绍了Java中Hashtable的基本概念和源代码解析，进一步深入地介绍了Hashtable的应用场景案例和优缺点分析，最后详细讲解了Hashtable的类代码方法并附上了测试用例。

  Hashtable是Java中的一种重要数据结构，具有很多优点，但也存在一些缺点。开发者可以根据具体的需求和场景，选择合适的数据结构进行数据的存储和管理。

总结

  本篇文章主要介绍了Java中的Hashtable，包括其基本概念、源代码解析、应用场景案例和优缺点分析，以及类代码方法介绍和测试用例。Hashtable是一种线程安全的散列表实现，实现了Map接口，可以用来存储键值对。在多线程的情况下会导致性能下降，Java5以后推荐使用ConcurrentHashMap来代替。Hashtable的方法都是同步的，因此在多线程环境中会导致性能问题。Hashtable在缓存系统、分布式系统和系统配置等方面应用广泛。Hashtable具有线程安全、可扩展性和易于使用的优点，但也存在性能问题和非空键值的缺点。开发者可以根据需要选择合适的数据结构进行数据的存储和管理。

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