【Java】JDK源码分析-Hashtable

JDK源码分析-Hashtable

WriteOnRead发布于 今天 03:32

1. 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:

【Java】JDK源码分析-Hashtable

Hashtable 的类继承结构与签名如下:

【Java】JDK源码分析-Hashtable

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。

2. 代码分析

2.1 Entry 类

Entry 类实现了 Map.Entry 接口,是 Hashtable 中的节点类。代码如下:

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);

}

// ...

}

2.2 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;

2.3 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);

}

2.4 主要方法

  • 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:

【Java】JDK源码分析-Hashtable

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;

}

3. 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。

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本作品系原创,采用《署名-非商业性使用-禁止演绎 4.0 国际》许可协议

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1. 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:

【Java】JDK源码分析-Hashtable

Hashtable 的类继承结构与签名如下:

【Java】JDK源码分析-Hashtable

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。

2. 代码分析

2.1 Entry 类

Entry 类实现了 Map.Entry 接口,是 Hashtable 中的节点类。代码如下:

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);

}

// ...

}

2.2 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;

2.3 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);

}

2.4 主要方法

  • 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:

【Java】JDK源码分析-Hashtable

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;

}

3. 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。

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