java提高篇（二五）-----HashTable

      在java中與有兩個類都提供了一個多種用途的hashTable機制，他們都可以將可以key和value結合起來構成鍵值對通過put(key,value)方法保存起來，然后通過get(key)方法獲取相對應的value值。一個是前面提到的HashMap，還有一個就是馬上要講解的HashTable。對於HashTable而言，它在很大程度上和HashMap的實現差不多，如果我們對HashMap比較了解的話，對HashTable的認知會提高很大的幫助。他們兩者之間只存在幾點的不同，這個后面會闡述。

一、定義

      HashTable在Java中的定義如下：

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

      從中可以看出HashTable繼承Dictionary類，實現Map接口。其中Dictionary類是任何可將鍵映射到相應值的類（如 Hashtable）的抽象父類。每個鍵和每個值都是一個對象。在任何一個 Dictionary 對象中，每個鍵至多與一個值相關聯。Map是"key-value鍵值對"接口。

      HashTable采用"拉鏈法"實現哈希表，它定義了幾個重要的參數：table、count、threshold、loadFactor、modCount。

      table：為一個Entry[]數組類型，Entry代表了“拉鏈”的節點，每一個Entry代表了一個鍵值對，哈希表的"key-value鍵值對"都是存儲在Entry數組中的。

      count：HashTable的大小，注意這個大小並不是HashTable的容器大小，而是他所包含Entry鍵值對的數量。

      threshold：Hashtable的閾值，用於判斷是否需要調整Hashtable的容量。threshold的值="容量*加載因子"。

      loadFactor：加載因子。

      modCount：用來實現“fail-fast”機制的（也就是快速失敗）。所謂快速失敗就是在並發集合中，其進行迭代操作時，若有其他線程對其進行結構性的修改，這時迭代器會立馬感知到，並且立即拋出ConcurrentModificationException異常，而不是等到迭代完成之后才告訴你（你已經出錯了）。

二、構造方法

      在HashTabel中存在5個構造函數。通過這5個構造函數我們構建出一個我想要的HashTable。

public Hashtable() {
        this(11, 0.75f);
    }

      默認構造函數，容量為11，加載因子為0.75。

public Hashtable(int initialCapacity) {
        this(initialCapacity, 0.75f);
    }

      用指定初始容量和默認的加載因子 (0.75) 構造一個新的空哈希表。

public Hashtable(int initialCapacity, float loadFactor) {
        //驗證初始容量
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                               initialCapacity);
        //驗證加載因子
        if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Load: "+loadFactor);
    </span><span style="color: #0000ff">if</span> (initialCapacity==0<span style="color: #000000">)
        initialCapacity </span>= 1<span style="color: #000000">;
    
    </span><span style="color: #0000ff">this</span>.loadFactor =<span style="color: #000000"> loadFactor;
    
    </span><span style="color: #008000">//</span><span style="color: #008000">初始化table，獲得大小為initialCapacity的table數組</span>
    table = <span style="color: #0000ff">new</span><span style="color: #000000"> Entry[initialCapacity];
    </span><span style="color: #008000">//</span><span style="color: #008000">計算閥值</span>
    threshold = (<span style="color: #0000ff">int</span>)Math.min(initialCapacity * loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE + 1<span style="color: #000000">);
    </span><span style="color: #008000">//</span><span style="color: #008000">初始化HashSeed值</span>

 initHashSeedAsNeeded(initialCapacity);
 }

      用指定初始容量和指定加載因子構造一個新的空哈希表。其中initHashSeedAsNeeded方法用於初始化hashSeed參數，其中hashSeed用於計算key的hash值，它與key的hashCode進行按位異或運算。這個hashSeed是一個與實例相關的隨機值，主要用於解決hash沖突。

private int hash(Object k) {
        return hashSeed ^ k.hashCode();
    }

  構造一個與給定的 Map 具有相同映射關系的新哈希表。

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

三、主要方法

      HashTable的API對外提供了許多方法，這些方法能夠很好幫助我們操作HashTable，但是這里我只介紹兩個最根本的方法：put、get。

      首先我們先看put方法：將指定 key 映射到此哈希表中的指定 value。注意這里鍵key和值value都不可為空。

public synchronized V put(K key, V value) {
        // 確保value不為null
        if (value == null) {
            throw new NullPointerException();
        }
    </span><span style="color: #008000">/*</span><span style="color: #008000">
     * 確保key在table[]是不重復的
     * 處理過程：
     * 1、計算key的hash值，確認在table[]中的索引位置
     * 2、迭代index索引位置，如果該位置處的鏈表中存在一個一樣的key，則替換其value，返回舊值
     </span><span style="color: #008000">*/</span><span style="color: #000000">
    Entry tab[] </span>=<span style="color: #000000"> table;
    </span><span style="color: #0000ff">int</span> hash = hash(key);    <span style="color: #008000">//</span><span style="color: #008000">計算key的hash值</span>
    <span style="color: #0000ff">int</span> index = (hash &amp; 0x7FFFFFFF) % tab.length;     <span style="color: #008000">//</span><span style="color: #008000">確認該key的索引位置
    </span><span style="color: #008000">//</span><span style="color: #008000">迭代，尋找該key，替換</span>
    <span style="color: #0000ff">for</span> (Entry&lt;K,V&gt; e = tab[index] ; e != <span style="color: #0000ff">null</span> ; e =<span style="color: #000000"> e.next) {
        </span><span style="color: #0000ff">if</span> ((e.hash == hash) &amp;&amp;<span style="color: #000000"> e.key.equals(key)) {
            V old </span>=<span style="color: #000000"> e.value;
            e.value </span>=<span style="color: #000000"> value;
            </span><span style="color: #0000ff">return</span><span style="color: #000000"> old;
        }
    }

    modCount</span>++<span style="color: #000000">;
    </span><span style="color: #0000ff">if</span> (count &gt;= threshold) {  <span style="color: #008000">//</span><span style="color: #008000">如果容器中的元素數量已經達到閥值，則進行擴容操作</span>

 rehash();
 tab = table;
 hash = hash(key);
 index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
 }
    </span><span style="color: #008000">//</span><span style="color: #008000"> 在索引位置處插入一個新的節點</span>
    Entry&lt;K,V&gt; e =<span style="color: #000000"> tab[index];
    tab[index] </span>= <span style="color: #0000ff">new</span> Entry&lt;&gt;<span style="color: #000000">(hash, key, value, e);
    </span><span style="color: #008000">//</span><span style="color: #008000">容器中元素+1</span>
    count++<span style="color: #000000">;
    </span><span style="color: #0000ff">return</span> <span style="color: #0000ff">null</span><span style="color: #000000">;
}</span></pre>

      put方法的整個處理流程是：計算key的hash值，根據hash值獲得key在table數組中的索引位置，然后迭代該key處的Entry鏈表（我們暫且理解為鏈表），若該鏈表中存在一個這個的key對象，那么就直接替換其value值即可，否則在將改key-value節點插入該index索引位置處。如下：

      首先我們假設一個容量為5的table，存在8、10、13、16、17、21。他們在table中位置如下：

     然后我們插入一個數：put(16,22)，key=16在table的索引位置為1，同時在1索引位置有兩個數，程序對該“鏈表”進行迭代，發現存在一個key=16,這時要做的工作就是用newValue=22替換oldValue16，並將oldValue=16返回。

      在put(33,33)，key=33所在的索引位置為3，並且在該鏈表中也沒有存在某個key=33的節點，所以就將該節點插入該鏈表的第一個位置。

         在HashTabled的put方法中有兩個地方需要注意：

        1、HashTable的擴容操作，在put方法中，如果需要向table[]中添加Entry元素，會首先進行容量校驗，如果容量已經達到了閥值，HashTable就會進行擴容處理rehash()，如下:

protected void rehash() {
        int oldCapacity = table.length;
        //元素
        Entry<K,V>[] oldMap = table;
    </span><span style="color: #008000">//</span><span style="color: #008000">新容量=舊容量 * 2 + 1</span>
    <span style="color: #0000ff">int</span> newCapacity = (oldCapacity &lt;&lt; 1) + 1<span style="color: #000000">;
    </span><span style="color: #0000ff">if</span> (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE &gt; 0<span style="color: #000000">) {
        </span><span style="color: #0000ff">if</span> (oldCapacity ==<span style="color: #000000"> MAX_ARRAY_SIZE)
            </span><span style="color: #0000ff">return</span><span style="color: #000000">;
        newCapacity </span>=<span style="color: #000000"> MAX_ARRAY_SIZE;
    }
    
    </span><span style="color: #008000">//</span><span style="color: #008000">新建一個size = newCapacity 的HashTable</span>
    Entry&lt;K,V&gt;[] newMap = <span style="color: #0000ff">new</span><span style="color: #000000"> Entry[];

    modCount</span>++<span style="color: #000000">;
    </span><span style="color: #008000">//</span><span style="color: #008000">重新計算閥值</span>
    threshold = (<span style="color: #0000ff">int</span>)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE + 1<span style="color: #000000">);
    </span><span style="color: #008000">//</span><span style="color: #008000">重新計算hashSeed</span>
    <span style="color: #0000ff">boolean</span> rehash =<span style="color: #000000"> initHashSeedAsNeeded(newCapacity);

    table </span>=<span style="color: #000000"> newMap;
    </span><span style="color: #008000">//</span><span style="color: #008000">將原來的元素拷貝到新的HashTable中</span>
    <span style="color: #0000ff">for</span> (<span style="color: #0000ff">int</span> i = oldCapacity ; i-- &gt; 0<span style="color: #000000"> ;) {
        </span><span style="color: #0000ff">for</span> (Entry&lt;K,V&gt; old = oldMap[i] ; old != <span style="color: #0000ff">null</span><span style="color: #000000"> ; ) {
            Entry</span>&lt;K,V&gt; e =<span style="color: #000000"> old;
            old </span>=<span style="color: #000000"> old.next;

            </span><span style="color: #0000ff">if</span><span style="color: #000000"> (rehash) {
                e.hash </span>=<span style="color: #000000"> hash(e.key);
            }
            </span><span style="color: #0000ff">int</span> index = (e.hash &amp; 0x7FFFFFFF) %<span style="color: #000000"> newCapacity;
            e.next </span>=<span style="color: #000000"> newMap[index];
            newMap[index] </span>=<span style="color: #000000"> e;
        }
    }
}</span></pre>

      在這個rehash()方法中我們可以看到容量擴大兩倍+1，同時需要將原來HashTable中的元素一一復制到新的HashTable中，這個過程是比較消耗時間的，同時還需要重新計算hashSeed的，畢竟容量已經變了。這里對閥值啰嗦一下：比如初始值11、加載因子默認0.75，那么這個時候閥值threshold=8，當容器中的元素達到8時，HashTable進行一次擴容操作，容量 = 8 * 2 + 1 =17，而閥值threshold=17*0.75 = 13，當容器元素再一次達到閥值時，HashTable還會進行擴容操作，一次類推。

     2、其實這里是我的一個疑問，在計算索引位置index時，HashTable進行了一個與運算過程（hash & 0x7FFFFFFF），為什么需要做一步操作，這么做有什么好處？如果哪位知道，望指導，LZ不勝感激！！下面是計算key的hash值，這里hashSeed發揮了作用。

private int hash(Object k) {
        return hashSeed ^ k.hashCode();
    }

     相對於put方法，get方法就會比較簡單，處理過程就是計算key的hash值，判斷在table數組中的索引位置，然后迭代鏈表，匹配直到找到相對應key的value,若沒有找到返回null。

public synchronized V get(Object key) {
        Entry tab[] = table;
        int hash = hash(key);
        int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
        for (Entry<K,V> e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) {
            if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {
                return e.value;
            }
        }
        return null;
    }

四、HashTable與HashMap的區別

      HashTable和HashMap存在很多的相同點，但是他們還是有幾個比較重要的不同點。

      第一：我們從他們的定義就可以看出他們的不同，HashTable基於Dictionary類，而HashMap是基於AbstractMap。Dictionary是什么？它是任何可將鍵映射到相應值的類的抽象父類，而AbstractMap是基於Map接口的骨干實現，它以最大限度地減少實現此接口所需的工作。

      第二：HashMap可以允許存在一個為null的key和任意個為null的value，但是HashTable中的key和value都不允許為null。如下：

      當HashMap遇到為null的key時，它會調用putForNullKey方法來進行處理。對於value沒有進行任何處理，只要是對象都可以。

if (key == null)
            return putForNullKey(value);

      而當HashTable遇到null時，他會直接拋出NullPointerException異常信息。

if (value == null) {
            throw new NullPointerException();
        }

      第三：Hashtable的方法是同步的，而HashMap的方法不是。所以有人一般都建議如果是涉及到多線程同步時采用HashTable，沒有涉及就采用HashMap，但是在Collections類中存在一個靜態方法：synchronizedMap()，該方法創建了一個線程安全的Map對象，並把它作為一個封裝的對象來返回，所以通過Collections類的synchronizedMap方法是可以我們你同步訪問潛在的HashMap。這樣君該如何選擇呢？？？