【数据结构】HashTable原理及实现学习总结

叁歲伎倆 2022-08-23 00:52 134阅读 0赞

有两个类都提供了一个多种用途的hashTable机制，他们都可以将可以key和value结合起来构成键值对通过put(key,value)方法保存起来，然后通过get(key)方法获取相对应的value值。一个是前面提到的HashMap，还有一个就是马上要讲解的HashTable。对于HashTable而言，它在很大程度上和HashMap的实现差不多，如果我们对HashMap比较了解的话，对HashTable的认知会提高很大的帮助。他们两者之间只存在几点的不同，这个后面会阐述。

#   一、定义 #

HashTable在Java中的定义如下：

1.  **public** **class** Hashtable<K,V>  
2.      **extends** Dictionary<K,V>  
3.      **implements** Map<K,V>, Cloneable, java.io.Serializable

从中可以看出HashTable继承Dictionary类，实现Map接口。其中Dictionary类是任何可将键映射到相应值的类（如 `Hashtable`）的抽象父类。每个键和每个值都是一个对象。在任何一个 Dictionary 对象中，每个键至多与一个值相关联。Map是"key-value键值对"接口。

HashTable采用"拉链法"实现哈希表，它定义了几个重要的参数：table、count、threshold、loadFactor、modCount。

table：为一个Entry\[\]数组类型，Entry代表了“拉链”的节点，每一个Entry代表了一个键值对，哈希表的"key-value键值对"都是存储在Entry数组中的。

count：HashTable的大小，注意这个大小并不是HashTable的容器大小，而是他所包含Entry键值对的数量。

threshold：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：加载因子。

modCount：用来实现“fail-fast”机制的（也就是快速失败）。所谓快速失败就是在并发集合中，其进行迭代操作时，若有其他线程对其进行结构性的修改，这时迭代器会立马感知到，并且立即抛出ConcurrentModificationException异常，而不是等到迭代完成之后才告诉你（你已经出错了）。

#  二、构造方法 #

在HashTabel中存在5个构造函数。通过这5个构造函数我们构建出一个我想要的HashTable。

**\[java\]**  [view plain][]   [copy][view plain]

[print][view plain] [?][view plain]

1.  **public** Hashtable() \{  
2.          **this**(11, 0.75f);  
3.      \}

默认构造函数，容量为11，加载因子为0.75。

**\[java\]**  [view plain][]   [copy][view plain]

[print][view plain] [?][view plain]

1.  **public** Hashtable(**int** initialCapacity) \{  
2.          **this**(initialCapacity, 0.75f);  
3.      \}

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。

**\[java\]**  [view plain][]   [copy][view plain]

[print][view plain] [?][view plain]

1.  **public** Hashtable(**int** initialCapacity, **float** loadFactor) \{  
2.          //验证初始容量  
3.          **if** (initialCapacity < 0)  
4.              **throw** **new** IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "\+  
5.                                                 initialCapacity);  
6.          //验证加载因子  
7.          **if** (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))  
8.              **throw** **new** IllegalArgumentException("Illegal Load: "\+loadFactor);  
9.    
10.         **if** (initialCapacity==0)  
11.             initialCapacity = 1;  
12.           
13.         **this**.loadFactor = loadFactor;  
14.           
15.         //初始化table，获得大小为initialCapacity的table数组  
16.         table = **new** Entry\[initialCapacity\];  
17.         //计算阀值  
18.         threshold = (**int**)Math.min(initialCapacity \* loadFactor, MAX\_ARRAY\_SIZE + 1);  
19.         //初始化HashSeed值  
20.         initHashSeedAsNeeded(initialCapacity);  
21.     \}

用指定初始容量和指定加载因子构造一个新的空哈希表。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。

**\[java\]**  [view plain][]   [copy][view plain]

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1.  **private** **int** hash(Object k) \{  
2.          **return** hashSeed ^ k.hashCode();  
3.      \}

构造一个与给定的 Map 具有相同映射关系的新哈希表。

**\[java\]**  [view plain][]   [copy][view plain]

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1.  **public** Hashtable(Map<? **extends** K, ? **extends** V> t) \{  
2.          //设置table容器大小，其值==t.size \* 2 + 1  
3.          **this**(Math.max(2\*t.size(), 11), 0.75f);  
4.          putAll(t);  
5.      \}

# 三、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，但是这里我只介绍两个最根本的方法：put、get。

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。

**\[java\]**  [view plain][]   [copy][view plain]

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1.  **public** **synchronized** V put(K key, V value) \{  
2.          // 确保value不为null  
3.          **if** (value == **null**) \{  
4.              **throw** **new** NullPointerException();  
5.          \}  
6.    
7.          /\* 
8.           \* 确保key在table\[\]是不重复的 
9.           \* 处理过程： 
10.          \* 1、计算key的hash值，确认在table\[\]中的索引位置 
11.          \* 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 
12.          \*/  
13.         Entry tab\[\] = table;  
14.         **int** hash = hash(key);    //计算key的hash值  
15.         **int** index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;     //确认该key的索引位置  
16.         //迭代，寻找该key，替换  
17.         **for** (Entry<K,V> e = tab\[index\] ; e != **null** ; e = e.next) \{  
18.             **if** ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) \{  
19.                 V old = e.value;  
20.                 e.value = value;  
21.                 **return** old;  
22.             \}  
23.         \}  
24.   
25.         modCount++;  
26.         **if** (count >= threshold) \{  //如果容器中的元素数量已经达到阀值，则进行扩容操作  
27.             rehash();  
28.             tab = table;  
29.             hash = hash(key);  
30.             index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;  
31.         \}  
32.   
33.         // 在索引位置处插入一个新的节点  
34.         Entry<K,V> e = tab\[index\];  
35.         tab\[index\] = **new** Entry<>(hash, key, value, e);  
36.         //容器中元素+1  
37.         count++;  
38.         **return** **null**;  
39.     \}

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：

![Center][]

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。

![Center 1][]

在put(33,33)，key=33所在的索引位置为3，并且在该链表中也没有存在某个key=33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:

**\[java\]**  [view plain][]   [copy][view plain]

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1.  **protected** **void** rehash() \{  
2.          **int** oldCapacity = table.length;  
3.          //元素  
4.          Entry<K,V>\[\] oldMap = table;  
5.    
6.          //新容量=旧容量 \* 2 + 1  
7.          **int** newCapacity = (oldCapacity << 1) + 1;  
8.          **if** (newCapacity - MAX\_ARRAY\_SIZE > 0) \{  
9.              **if** (oldCapacity == MAX\_ARRAY\_SIZE)  
10.                 **return**;  
11.             newCapacity = MAX\_ARRAY\_SIZE;  
12.         \}  
13.           
14.         //新建一个size = newCapacity 的HashTable  
15.         Entry<K,V>\[\] newMap = **new** Entry\[\];  
16.   
17.         modCount++;  
18.         //重新计算阀值  
19.         threshold = (**int**)Math.min(newCapacity \* loadFactor, MAX\_ARRAY\_SIZE + 1);  
20.         //重新计算hashSeed  
21.         **boolean** rehash = initHashSeedAsNeeded(newCapacity);  
22.   
23.         table = newMap;  
24.         //将原来的元素拷贝到新的HashTable中  
25.         **for** (**int** i = oldCapacity ; i-- > 0 ;) \{  
26.             **for** (Entry<K,V> old = oldMap\[i\] ; old != **null** ; ) \{  
27.                 Entry<K,V> e = old;  
28.                 old = old.next;  
29.   
30.                 **if** (rehash) \{  
31.                     e.hash = hash(e.key);  
32.                 \}  
33.                 **int** index = (e.hash & 0x7FFFFFFF) % newCapacity;  
34.                 e.next = newMap\[index\];  
35.                 newMap\[index\] = e;  
36.             \}  
37.         \}  
38.     \}

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 = 11 \* 2 + 1 =23，而阀值threshold=23\*0.75 = 17，当容器元素再一次达到阀值时，HashTable还会进行扩容操作，一次类推。

**        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）。下面是计算key的hash值，这里hashSeed发挥了作用。

**\[java\]**  [view plain][]   [copy][view plain]

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1.  **private** **int** hash(Object k) \{  
2.          **return** hashSeed ^ k.hashCode();  
3.      \}

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。

**\[java\]**  [view plain][]   [copy][view plain]

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1.  **public** **synchronized** V get(Object key) \{  
2.          Entry tab\[\] = table;  
3.          **int** hash = hash(key);  
4.          **int** index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;  
5.          **for** (Entry<K,V> e = tab\[index\] ; e != **null** ; e = e.next) \{  
6.              **if** ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) \{  
7.                  **return** e.value;  
8.              \}  
9.          \}  
10.         **return** **null**;  
11.     \}

# 四、HashTable与HashMap的区别 #

HashTable和HashMap存在很多的相同点，但是他们还是有几个比较重要的不同点。

**        第一：**我们从他们的定义就可以看出他们的不同，HashTable基于Dictionary类，而HashMap是基于AbstractMap。Dictionary是什么？它是任何可将键映射到相应值的类的抽象父类，而AbstractMap是基于Map接口的骨干实现，它以最大限度地减少实现此接口所需的工作。

**        第二：**HashMap可以允许存在一个为null的key和任意个为null的value，但是HashTable中的key和value都不允许为null。如下：

当HashMap遇到为null的key时，它会调用putForNullKey方法来进行处理。对于value没有进行任何处理，只要是对象都可以。

**\[java\]**  [view plain][]   [copy][view plain]

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1.  **if** (key == **null**)  
2.              **return** putForNullKey(value);

而当HashTable遇到null时，他会直接抛出NullPointerException异常信息。

**\[java\]**  [view plain][]   [copy][view plain]

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1.  **if** (value == **null**) \{  
2.              **throw** **new** NullPointerException();  
3.          \}

**        第三：**Hashtable的方法是同步的，而HashMap的方法不是。所以有人一般都建议如果是涉及到多线程同步时采用HashTable，没有涉及就采用HashMap，但是在Collections类中存在一个静态方法：synchronizedMap()，该方法创建了一个线程安全的Map对象，并把它作为一个封装的对象来返回，所以通过Collections类的synchronizedMap方法是可以同步访问潜在的HashMap。

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[CODE_CODE]: https://code.csdn.net/snippets/273671
[ico_fork.svg]: https://code.csdn.net/assets/ico_fork.svg
[ico_fork.svg 1]: https://code.csdn.net/snippets/273671/fork
[Center]: /images/20220722/7d6ab1ffc3b94b59af4e945e04ccf92a.png
[Center 1]: /images/20220722/6bd530971c054dcda18c902739eda332.png
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