摘要：
Hashtable与HashMap都是Map族中较为常用的实现，也都是Java Collection Framework 的重要成员，它们的本质都是 链表数组。本文深入JDK源码并从定义、构造、结构、存取等四个方面深入解读了Hashtable的底层结构与存储逻辑，并阐述了HashMap、Hashtable与ConcurrentHashMap三者间的联系与区别。
友情提示：
本文所有关于Hashtable的源码都是基于 JDK 1.6 的，不同 JDK 版本之间也许会有些许差异，但不影响我们对 Hashtable 的数据结构、原理等整体的把握和了解。
为了更好地了解Hashtable，建议读者先对HashMap有一个深入的了解，读者可参考我的博文《Map 综述（一）：彻头彻尾理解 HashMap》进行回顾和温习。
版权声明：
本文原创作者：书呆子Rico
作者博客地址：http://blog.csdn.net/justloveyou_/
一. Hashtable 概述
Hashtable和HashMap既是 Java Collection Framework 的重要成员，也是Map族(如下图所示)的核心成员，二者的底层实现都是一个 链表数组，具有寻址容易、插入和删除也容易的特性。事实上，HashMap几乎可以等价于Hashtable，除了HashMap是非线程安全的并且可以接受null键和null值。
二. Hashtable 在 JDK 中的定义
Hashtable实现了Map接口，并继承Dictionary抽象类 (已过时，新的实现应该实现 Map 接口而不是扩展此类)，其在JDK中的定义为：
public class Hashtable<K,V>
extends Dictionary<K,V>
implements Map<K,V>, Cloneable, java.io.Serializable {
/**
* The hash table data.
*/
private transient Entry[] table; // 由Entry对象组成的链表数组
/**
* The total number of entries in the hash table.
*/
private transient int count; // Hashtable中Entry对象的个数
/**
* The table is rehashed when its size exceeds this threshold. (The
* value of this field is (int)(capacity * loadFactor).)
*
* @serial
*/
private int threshold; // Hashtable进行扩容的阈值
/**
* The load factor for the hashtable.
*
* @serial
*/
private float loadFactor; // 在其容量自动增加之前可以达到多满的一种尺度，默认为0.75
/**
* The number of times this Hashtable has been structurally modified
* Structural modifications are those that change the number of entries in
* the Hashtable or otherwise modify its internal structure (e.g.,
* rehash). This field is used to make iterators on Collection-views of
* the Hashtable fail-fast. (See ConcurrentModificationException).
*/
private transient int modCount = 0; // 记录Hashtable生命周期中结构性修改的次数
...
}与HashMap类似，Hashtable也包括五个成员变量，分别是table数组、Hashtable中Entry个数count、Hashtable的阈值threshold、Hashtable的负载因子loadFactor 和 Hashtable结构性修改次数modCount。下面分别给出这五个成员的具体内涵：
-
Entry数组table： 一个由Entry对象组成的链表数组，table数组的每一个数组成员就是一个链表；
-
Entry个数count： Hashtable中Entry对象的个数；
-
阈值threshold： Hashtable进行扩容的阈值；
-
负载因子loadFactor： 在其容量自动增加之前可以达到多满的一种尺度，默认为0.75；
-
结构性修改次数modCount： 记录Hashtable生命周期中结构性修改的次数，便于快速失败(所谓快速失败是指其在并发环境中进行迭代操作时，若其他线程对其进行了结构性的修改，这时迭代器能够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）)；
三. Hashtable 的构造函数
Hashtable 一共提供了四个构造函数，其中默认无参的构造函数和参数为Map的构造函数为 Java Collection Framework 规范的推荐实现，其余两个构造函数则是Hashtable专门提供的。
1、Hashtable(int initialCapacity, float loadFactor)
该构造函数意在构造一个指定初始容量和指定负载因子的空 Hashtable，其源码如下：
/**
* Constructs a new, empty hashtable with the specified initial capacity and
* the specified load factor.
*
* @param initialCapacity
* the initial capacity of the hashtable.
* @param loadFactor
* the load factor of the hashtable.
* @exception IllegalArgumentException
* if the initial capacity is less than zero, or if the load
* factor is nonpositive.
*/
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; // 初始容量完全由用户随意指定，不必是2的n次幂(不同于HashMap)
this.loadFactor = loadFactor;
table = new Entry[initialCapacity]; // 创建指定大小为initialCapacity的链表数组
threshold = (int) (initialCapacity * loadFactor); // HashTable的扩容阈值
}2、Hashtable()
该构造函数意在构造一个具有默认初始容量(11)和默认负载因子(0.75f)的空 Hashtable，是 Java Collection Framework 规范推荐提供的，其源码如下：
/**
* Constructs a new, empty hashtable with a default initial capacity (11)
* and load factor (0.75).
*/
public Hashtable() {
this(11, 0.75f); // 默认容量是11，不同于HashMap的默认初始容量16，默认负载因子0.75
}3、Hashtable(int initialCapacity)
该构造函数意在构造一个指定初始容量和默认负载因子(0.75f)的空Hashtable，其源码如下：
/**
* Constructs a new, empty hashtable with the specified initial capacity and
* default load factor (0.75).
*
* @param initialCapacity
* the initial capacity of the hashtable.
* @exception IllegalArgumentException
* if the initial capacity is less than zero.
*/
public Hashtable(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, 0.75f);
}4、Hashtable(Map<? extends K, ? extends V> t)
该构造函数意在构造一个与指定 Map 具有相同映射的Hashtable，其初始容量不小于11(具体依赖于指定Map的大小)，负载因子是0.75f，是 Java Collection Framework 规范推荐提供的，其源码如下：
/**
* Constructs a new hashtable with the same mappings as the given Map. The
* hashtable is created with an initial capacity sufficient to hold the
* mappings in the given Map and a default load factor (0.75).
*
* @param t
* the map whose mappings are to be placed in this map.
* @throws NullPointerException
* if the specified map is null.
* @since 1.2
*/
public Hashtable(Map<? extends K, ? extends V> t) {
this(Math.max(2 * t.size(), 11), 0.75f);
putAll(t);
}与HashMap类似，构建一个Hashtable时也需要指定初始容量和负载因子这两个非常重要的参数，它们是影响Hashtable性能的关键因素。其中，容量表示哈希表中桶的数量(table 数组的大小)，初始容量是创建哈希表时桶的数量；负载因子是哈希表在其容量自动增加之前可以达到多满的一种尺度，它衡量的是一个散列表的空间的使用程度，负载因子越大表示散列表的装填程度越高，反之愈小。
对于Hashtable而言，查找一个元素的平均时间是O(1+a)(a 指的是链的长度，是一个常数)。特别地，负载因子越大，对空间的利用更充分，但查找效率的也就越低；若负载因子越小，那么哈希表的数据将越稀疏，对空间造成的浪费也就越严重。系统默认负载因子为0.75f，这是时间和空间成本上一种折衷，一般情况下我们是无需修改的。
四. Hashtable 的数据结构
我们知道，在Java中最常用的两种结构是数组和链表，其中，数组的特点是：寻址容易，插入和删除困难；而链表的特点是：寻址困难，插入和删除容易。Hashtable和HashMap综合了两者的特性，是一种寻址容易、插入和删除也容易的数据结构。实际上，Hashtable和HashMap本质上都是一个 链表数组，如下所示：
![![哈希表.png-10.2kB][4]](https://img-blog.csdn.net/20170317181650025?watermark/2/text/aHR0cDovL2Jsb2cuY3Nkbi5uZXQvanVzdGxvdmV5b3Vf/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70/gravity/SouthEast)
从上图中，我们可以形象地看出Hashtable底层实现还是数组，只是数组中存放的元素是Entry对象，而Entry对象是一种典型链状结构，定义如下：
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
K key; // 键值对的键
V value; // 键值对的值
Entry<K,V> next; // 指向下一个节点的指针
int hash; // key 的哈希值(与HashMap中key的哈希值计算方式不同)
/**
* Creates new entry.
*/
protected Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) { // Entry 的构造函数
value = v;
next = n;
key = k;
hash = h;
}
......
}Entry为Hashtable的内部类，实现了Map.Entry接口，是个典型的四元组，包含了键key、值value、指向下一个节点的指针next，以及Key的hash值四个属性。事实上，Entry是构成哈希表的基石，是哈希表所存储的元素的具体形式。
五. Hashtable 的快速存取
我们知道，在HashMap中，最常用的两个操作就是：put(Key,Value) 和 get(Key)。同样地，这两个操作也是Hashtable最常用的两个操作。下面我们结合JDK源码看Hashtable的存取实现。
1、Hashtable 的存储实现
在Hashtable中，键值对的存储是也是通过 put(key, vlaue) 方法来实现的，不同于HashMap的是，其put操作是线程安全的，源码如下：
/**
* Maps the specified <code>key</code> to the specified <code>value</code>
* in this hashtable. Neither the key nor the value can be <code>null</code>
* .
* <p>
*
* The value can be retrieved by calling the <code>get</code> method with a
* key that is equal to the original key.
*
* @param key
* the hashtable key
* @param value
* the value
* @return the previous value of the specified key in this hashtable, or
* <code>null</code> if it did not have one
* @exception NullPointerException
* if the key or value is <code>null</code>
* @see Object#equals(Object)
* @see #get(Object)
*/
public synchronized V put(K key, V value) { // 加锁同步，保证Hashtable的线程安全性
// Make sure the value is not null
if (value == null) { // 不同于HashMap，Hashtable不允许空的value
throw new NullPointerException();
}
// Makes sure the key is not already in the hashtable.
Entry tab[] = table;
int hash = key.hashCode(); // key 的哈希值，同时也暗示Hashtable不同于HashMap，其不允许空的key
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length; // 取余计算节点存放桶位，0x7FFFFFFF 是最大的int型数的二进制表示
// 先查找Hashtable上述桶位中是否包含具有相同Key的K/V对
for (Entry<K, V> e = tab[index]; e != null; e = e.next) {
if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {
V old = e.value;
e.value = value;
return old;
}
}
// 向Hashtable中插入目标K/V对
modCount++; // 发生结构性改变，modCount加1
if (count >= threshold) { //在插入目标K/V对前，先检查是否需要扩容（不同于HashMap的插入后检查是否需要扩容）
// Rehash the table if the threshold is exceeded
rehash();
tab = table;
index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length; // 扩容后，重新计算K/V对插入的桶位
}
// Creates the new entry.
Entry<K, V> e = tab[index];
tab[index] = new Entry<K, V>(hash, key, value, e); // 将K/V对链入对应桶中链表，并成为头结点
count++; // Hashtable中Entry数目加1
return null;
}通过上述源码我们可以看出，Hashtable与HashMap保存数据的过程基本相同：首先，计算key的hash值并确定K/V对要插入的桶位；其次，查找该桶位中是否存在具有相同的key的K/V对，若存在则覆盖直接对应的value值，否则将该节点(K/V)保存在桶中的链表的链头位置（最先保存的元素放在链尾）。当然，若该桶位是空的，则直接保存。特别地，在一些细节上，Hashtable与HashMap还是有一定的差别的：
-
Hashtable不同于HashMap，前者既不允许key为null，也不允许value为null;
-
HashMap中用于定位桶位的Key的hash的计算过程要比Hashtable复杂一点，没有Hashtable如此简单、直接；
-
在HashMap的插入K/V对的过程中，总是先插入后检查是否需要扩容；而Hashtable则是先检查是否需要扩容后插入；
-
Hashtable不同于HashMap，前者的put操作是线程安全的。
2、Hashtable 的重哈希操作
重哈希过程主要是一个重新计算原Hashtable中的元素在新table数组中的位置并进行复制处理的过程，我们直接看其源码：
/**
* Increases the capacity of and internally reorganizes this hashtable, in
* order to accommodate and access its entries more efficiently. This method
* is called automatically when the number of keys in the hashtable exceeds
* this hashtable's capacity and load factor.
*/
protected void rehash() {
int oldCapacity = table.length; // 先获取旧的Hashtable桶的数量，即容量
Entry[] oldMap = table;
int newCapacity = oldCapacity * 2 + 1; // 扩容，扩到原始容量的2倍再加1
Entry[] newMap = new Entry[newCapacity]; // 创建扩容后的新的链表数组
modCount++; // 重哈希操作是一个结构性改变操作，modCount加1
threshold = (int) (newCapacity * loadFactor); // 新的阈值
table = newMap;
// 将原哈希表中的节点逐个复制到新的哈希表中
for (int i = oldCapacity; i-- > 0;) {
for (Entry<K, V> old = oldMap[i]; old != null;) {
Entry<K, V> e = old;
old = old.next;
int index = (e.hash & 0x7FFFFFFF) % newCapacity;
e.next = newMap[index];
newMap[index] = e;
}
}
}特别需要注意的是，在重哈希的过程中，原属于同一个桶中的Entry对象可能会被分到不同的桶，因为Hashtable的容量发生了变化，那么(e.hash & 0x7FFFFFFF) % newCapacity的值也会发生相应的变化。退一步说，如果重哈希后原属于一个桶中的Entry对象仍属于同一桶，那么重哈希也就失去了意义。
3、Hashtable 的读取实现
相对于Hashtable的存储操作而言，读取就显得比较简单了。因为Hashtable只需通过key的hash值定位到table数组的某个特定的桶，然后查找并返回该key对应的value即可，源码如下：
/**
* Returns the value to which the specified key is mapped, or {@code null}
* if this map contains no mapping for the key.
*
* <p>
* More formally, if this map contains a mapping from a key {@code k} to a
* value {@code v} such that {@code (key.equals(k))}, then this method
* returns {@code v}; otherwise it returns {@code null}. (There can be at
* most one such mapping.)
*
* @param key
* the key whose associated value is to be returned
* @return the value to which the specified key is mapped, or {@code null}
* if this map contains no mapping for the key
* @throws NullPointerException
* if the specified key is null
* @see #put(Object, Object)
*/
public synchronized V get(Object key) { // 不同于HashMap，Hashtable的读取操作是同步的
Entry tab[] = table;
int hash = key.hashCode();
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length; // 定位K/V对的桶位
for (Entry<K, V> e = tab[index]; e != null; e = e.next) { // 在特定桶中依次查找指定Key的K/V对
if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {
return e.value;
}
}
return null; // 查找失败
}在这里能够根据key快速的取到value，除了和Hashtable的数据结构密不可分外，还和Entry有莫大的关系。在前面就已经提到过，Hashtable在存储过程中并没有将key，value分开来存储，而是当做一个整体Entry对象（四元组）来处理的。可以看到，在Entry对象中，value的地位要比key低一些，相当于是 key 的附属。在读取细节上，Hashtable与HashMap的主要差别如下：
-
不同于HashMap，Hashtable的读取操作是同步的；
-
在HashMap中，若读取到的Value值为NULL，则存在如下两种可能：该key对应的值就是null或者HashMap 中不存在该key；而在Hashtable中却只有一种可能：Hashtable中不存在含有该key的Entry。造成这种差别的原因正是二者对Key和Value的限制的不同：HashMap最多允许一个Key为null，但允许多个value值为null；Hashtable既不允许空的Key，也不允许空的Value。
六. HashMap、Hashtable 与ConcurrentHashMap的联系与区别
1、Hashtable与HashMap的联系与区别
(1). HashMap和Hashtable的实现模板不同：虽然二者都实现了Map接口，但HashTable继承于Dictionary类，而HashMap是继承于AbstractMap。Dictionary是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。
(2). HashMap和Hashtable对键值的限制不同：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。
(3). HashMap和Hashtable的线程安全性不同：Hashtable的方法是同步的，实现线程安全的Map；而HashMap的方法不是同步的，是Map的非线程安全实现。
(4). HashMap和Hashtable的地位不同：在并发环境下，Hashtable虽然是线程安全的，但是我们一般不推荐使用它，因为有比它更高效、更好的选择ConcurrentHashMap；而单线程环境下，HashMap拥有比Hashtable更高的效率(Hashtable的操作都是同步的，导致效率低下)，所以更没必要选择它了。
2、Hashtable与ConcurrentHashMap的联系与区别
Hashtable和ConcurrentHashMap都可以用于并发环境，但是Hashtable的并发性能远不如ConcurrentHashMap，这种差异是由它们的底层实现决定的。在《彻头彻尾理解 ConcurrentHashMap》一文中，我们知道ConcurrentHashMap引入了分段锁机制，在默认理想状态下，ConcurrentHashMap可以支持16个线程执行并发写操作及任意数量线程的读操作；而Hashtable无论在读的过程中还是写的过程中都会锁定整个map，因此在并发效率上远不如ConcurrentHashMap。
此外，Hashtable和ConcurrentHashMap对键值的限制相同，二者的key和value都不允许是null。
七. 更多
如果读者需要要深入了解 HashMap，请移步我的博文《Map 综述（一）：彻头彻尾理解 HashMap》。
如果读者需要要深入了解 ConcurrentHashMap，请移步我的博文《彻头彻尾理解 ConcurrentHashMap》。
更多关于哈希(Hash)和equals方法的介绍，请移步我的博文《Java 中的 ==, equals 与 hashCode 的区别与联系》。
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