Map总结(HashMap, Hashtable, TreeMap, WeakHashMap等使用场景)

概要

学完了Map的全部内容，我们再回头开开Map的框架图。

本章内容包括：
第1部分 Map概括
第2部分 HashMap和Hashtable异同
第3部分 HashMap和WeakHashMap异同

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第1部分 Map概括

(01) Map 是“键值对”映射的抽象接口。
(02) AbstractMap 实现了Map中的绝大部分函数接口。它减少了“Map的实现类”的重复编码。
(03) SortedMap 有序的“键值对”映射接口。
(04) NavigableMap 是继承于SortedMap的，支持导航函数的接口。
(05) HashMap, Hashtable, TreeMap, WeakHashMap这4个类是“键值对”映射的实现类。它们各有区别！

　　HashMap 是基于“拉链法”实现的散列表。一般用于单线程程序中。
　　Hashtable 也是基于“拉链法”实现的散列表。它一般用于多线程程序中。
　　WeakHashMap 也是基于“拉链法”实现的散列表，它一般也用于单线程程序中。相比HashMap，WeakHashMap中的键是“弱键”，当“弱键”被GC回收时，它对应的键值对也会被从WeakHashMap中删除；而HashMap中的键是强键。
　　TreeMap 是有序的散列表，它是通过红黑树实现的。它一般用于单线程中存储有序的映射。

第2部分 HashMap和Hashtable异同

第2.1部分 HashMap和Hashtable的相同点

HashMap和Hashtable都是存储“键值对(key-value)”的散列表，而且都是采用拉链法实现的。
存储的思想都是：通过table数组存储，数组的每一个元素都是一个Entry；而一个Entry就是一个单向链表，Entry链表中的每一个节点就保存了key-value键值对数据。

添加key-value键值对：首先，根据key值计算出哈希值，再计算出数组索引(即，该key-value在table中的索引)。然后，根据数组索引找到Entry(即，单向链表)，再遍历单向链表，将key和链表中的每一个节点的key进行对比。若key已经存在Entry链表中，则用该value值取代旧的value值；若key不存在Entry链表中，则新建一个key-value节点，并将该节点插入Entry链表的表头位置。
删除key-value键值对：删除键值对，相比于“添加键值对”来说，简单很多。首先，还是根据key计算出哈希值，再计算出数组索引(即，该key-value在table中的索引)。然后，根据索引找出Entry(即，单向链表)。若节点key-value存在与链表Entry中，则删除链表中的节点即可。

上面介绍了HashMap和Hashtable的相同点。正是由于它们都是散列表，我们关注更多的是“它们的区别，以及它们分别适合在什么情况下使用”。那接下来，我们先看看它们的区别。

第2.2部分 HashMap和Hashtable的不同点

1 继承和实现方式不同

HashMap 继承于AbstractMap，实现了Map、Cloneable、java.io.Serializable接口。
Hashtable 继承于Dictionary，实现了Map、Cloneable、java.io.Serializable接口。

HashMap的定义:

public class HashMap<K,V>
    extends AbstractMap<K,V>
    implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable { ... }

Hashtable的定义:

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

从中，我们可以看出：
1.1 HashMap和Hashtable都实现了Map、Cloneable、java.io.Serializable接口。
      实现了Map接口，意味着它们都支持key-value键值对操作。支持“添加key-value键值对”、“获取key”、“获取value”、“获取map大小”、“清空map”等基本的key-value键值对操作。
      实现了Cloneable接口，意味着它能被克隆。
      实现了java.io.Serializable接口，意味着它们支持序列化，能通过序列化去传输。

1.2 HashMap继承于AbstractMap，而Hashtable继承于Dictionary
      Dictionary是一个抽象类，它直接继承于Object类，没有实现任何接口。Dictionary类是JDK 1.0的引入的。虽然Dictionary也支持“添加key-value键值对”、“获取value”、“获取大小”等基本操作，但它的API函数比Map少；而且             Dictionary一般是通过Enumeration(枚举类)去遍历，Map则是通过Iterator(迭代器)去遍历。 然而‘由于Hashtable也实现了Map接口，所以，它即支持Enumeration遍历，也支持Iterator遍历。关于这点，后面还会进一步说明。
      AbstractMap是一个抽象类，它实现了Map接口的绝大部分API函数；为Map的具体实现类提供了极大的便利。它是JDK 1.2新增的类。

2 线程安全不同

Hashtable的几乎所有函数都是同步的，即它是线程安全的，支持多线程。
而HashMap的函数则是非同步的，它不是线程安全的。若要在多线程中使用HashMap，需要我们额外的进行同步处理。 对HashMap的同步处理可以使用Collections类提供的synchronizedMap静态方法，或者直接使用JDK 5.0之后提供的java.util.concurrent包里的ConcurrentHashMap类。

3 对null值的处理不同

HashMap的key、value都可以为null。
Hashtable的key、value都不可以为null。

我们先看看HashMap和Hashtable “添加key-value”的方法

HashMap的添加key-value的方法

// 将“key-value”添加到HashMap中
public V put(K key, V value) {
// 若“key为null”，则将该键值对添加到table[0]中。
if (key == null)
return putForNullKey(value);
// 若“key不为null”，则计算该key的哈希值，然后将其添加到该哈希值对应的链表中。
int hash = hash(key.hashCode());
int i = indexFor(hash, table.length);
for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
Object k;
// 若“该key”对应的键值对已经存在，则用新的value取代旧的value。然后退出！
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}

// 若“该key”对应的键值对不存在，则将“key-value”添加到table中
modCount++;
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}

// putForNullKey()的作用是将“key为null”键值对添加到table[0]位置
private V putForNullKey(V value) {
for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
if (e.key == null) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
// recordAccess()函数什么也没有做
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
// 添加第1个“key为null”的元素都table中的时候，会执行到这里。
// 它的作用是将“设置table[0]的key为null，值为value”。
modCount++;
addEntry(0, null, value, 0);
return null;
}

 1 // 将“key-value”添加到HashMap中
 2 public V put(K key, V value) {
 3     // 若“key为null”，则将该键值对添加到table[0]中。
 4     if (key == null)
 5         return putForNullKey(value);
 6     // 若“key不为null”，则计算该key的哈希值，然后将其添加到该哈希值对应的链表中。
 7     int hash = hash(key.hashCode());
 8     int i = indexFor(hash, table.length);
 9     for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
10         Object k;
11         // 若“该key”对应的键值对已经存在，则用新的value取代旧的value。然后退出！
12         if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
13             V oldValue = e.value;
14             e.value = value;
15             e.recordAccess(this);
16             return oldValue;
17         }
18     }
19 
20     // 若“该key”对应的键值对不存在，则将“key-value”添加到table中
21     modCount++;
22     addEntry(hash, key, value, i);
23     return null;
24 }
25 
26 // putForNullKey()的作用是将“key为null”键值对添加到table[0]位置
27 private V putForNullKey(V value) {
28     for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
29         if (e.key == null) {
30             V oldValue = e.value;
31             e.value = value;
32             // recordAccess()函数什么也没有做
33             e.recordAccess(this);
34             return oldValue;
35         }
36     }
37     // 添加第1个“key为null”的元素都table中的时候，会执行到这里。
38     // 它的作用是将“设置table[0]的key为null，值为value”。
39     modCount++;
40     addEntry(0, null, value, 0);
41     return null;
42 }

Hashtable的添加key-value的方法

// 将“key-value”添加到Hashtable中
public synchronized V put(K key, V value) {
// Hashtable中不能插入value为null的元素！！！
if (value == null) {
throw new NullPointerException();
}

// 若“Hashtable中已存在键为key的键值对”，
// 则用“新的value”替换“旧的value”
Entry tab[] = table;
// Hashtable中不能插入key为null的元素！！！
// 否则，下面的语句会抛出异常！
int hash = key.hashCode();
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)) {
V old = e.value;
e.value = value;
return old;
}
}

// 若“Hashtable中不存在键为key的键值对”，
// (01) 将“修改统计数”+1
modCount++;
// (02) 若“Hashtable实际容量” > “阈值”(阈值=总的容量 * 加载因子)
// 则调整Hashtable的大小
if (count >= threshold) {
// Rehash the table if the threshold is exceeded
rehash();

tab = table;
index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
}

// (03) 将“Hashtable中index”位置的Entry(链表)保存到e中 Entry<K,V> e = tab[index];
// (04) 创建“新的Entry节点”，并将“新的Entry”插入“Hashtable的index位置”，并设置e为“新的Entry”的下一个元素(即“新Entry”为链表表头)。
tab[index] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
// (05) 将“Hashtable的实际容量”+1
count++;
return null;
}

 1 // 将“key-value”添加到Hashtable中
 2 public synchronized V put(K key, V value) {
 3     // Hashtable中不能插入value为null的元素！！！
 4     if (value == null) {
 5         throw new NullPointerException();
 6     }
 7 
 8     // 若“Hashtable中已存在键为key的键值对”，
 9     // 则用“新的value”替换“旧的value”
10     Entry tab[] = table;
11     // Hashtable中不能插入key为null的元素！！！
12     // 否则，下面的语句会抛出异常！
13     int hash = key.hashCode();
14     int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
15     for (Entry<K,V> e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) {
16         if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {
17             V old = e.value;
18             e.value = value;
19             return old;
20         }
21     }
22 
23     // 若“Hashtable中不存在键为key的键值对”，
24     // (01) 将“修改统计数”+1
25     modCount++;
26     // (02) 若“Hashtable实际容量” > “阈值”(阈值=总的容量 * 加载因子)
27     //  则调整Hashtable的大小
28     if (count >= threshold) {
29         // Rehash the table if the threshold is exceeded
30         rehash();
31 
32         tab = table;
33         index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
34     }
35 
36     // (03) 将“Hashtable中index”位置的Entry(链表)保存到e中 Entry<K,V> e = tab[index];
37     // (04) 创建“新的Entry节点”，并将“新的Entry”插入“Hashtable的index位置”，并设置e为“新的Entry”的下一个元素(即“新Entry”为链表表头)。        
38     tab[index] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
39     // (05) 将“Hashtable的实际容量”+1
40     count++;
41     return null;
42 }

根据上面的代码，我们可以看出：

Hashtable的key或value，都不能为null！否则，会抛出异常NullPointerException。
HashMap的key、value都可以为null。 当HashMap的key为null时，HashMap会将其固定的插入table[0]位置(即HashMap散列表的第一个位置)；而且table[0]处只会容纳一个key为null的值，当有多个key为null的值插入的时候，table[0]会保留最后插入的value。

4 支持的遍历种类不同

HashMap只支持Iterator(迭代器)遍历。
而Hashtable支持Iterator(迭代器)和Enumeration(枚举器)两种方式遍历。

Enumeration 是JDK 1.0添加的接口，只有hasMoreElements(), nextElement() 两个API接口，不能通过Enumeration()对元素进行修改 。
而Iterator 是JDK 1.2才添加的接口，支持hasNext(), next(), remove() 三个API接口。HashMap也是JDK 1.2版本才添加的，所以用Iterator取代Enumeration，HashMap只支持Iterator遍历。

5 通过Iterator迭代器遍历时，遍历的顺序不同

HashMap是“从前向后”的遍历数组；再对数组具体某一项对应的链表，从表头开始进行遍历。
Hashtabl是“从后往前”的遍历数组；再对数组具体某一项对应的链表，从表头开始进行遍历。

HashMap和Hashtable都实现Map接口，所以支持获取它们“key的集合”、“value的集合”、“key-value的集合”，然后通过Iterator对这些集合进行遍历。
由于“key的集合”、“value的集合”、“key-value的集合”的遍历原理都是一样的；下面，我以遍历“key-value的集合”来进行说明。

HashMap 和Hashtable 遍历"key-value集合"的方式是：(01) 通过entrySet()获取“Map.Entry集合”。 (02) 通过iterator()获取“Map.Entry集合”的迭代器，再进行遍历。

HashMap的实现方式：先“从前向后”的遍历数组；对数组具体某一项对应的链表，则从表头开始往后遍历。

// 返回“HashMap的Entry集合”
public Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() {
return entrySet0();
}
// 返回“HashMap的Entry集合”，它实际是返回一个EntrySet对象
private Set<Map.Entry<K,V>> entrySet0() {
Set<Map.Entry<K,V>> es = entrySet;
return es != null ? es : (entrySet = new EntrySet());
}
// EntrySet对应的集合
// EntrySet继承于AbstractSet，说明该集合中没有重复的EntrySet。
private final class EntrySet extends AbstractSet<Map.Entry<K,V>> {
...
public Iterator<Map.Entry<K,V>> iterator() {
return newEntryIterator();
}
...
}
// 返回一个“entry迭代器”
Iterator<Map.Entry<K,V>> newEntryIterator() {
return new EntryIterator();
}
// Entry的迭代器
private final class EntryIterator extends HashIterator<Map.Entry<K,V>> {
public Map.Entry<K,V> next() {
return nextEntry();
}
}
private abstract class HashIterator<E> implements Iterator<E> {
// 下一个元素
Entry<K,V> next;
// expectedModCount用于实现fail-fast机制。
int expectedModCount;
// 当前索引
int index;
// 当前元素
Entry<K,V> current;

HashIterator() {
expectedModCount = modCount;
if (size > 0) { // advance to first entry
Entry[] t = table;
// 将next指向table中第一个不为null的元素。
// 这里利用了index的初始值为0，从0开始依次向后遍历，直到找到不为null的元素就退出循环。
while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
;
}
}

public final boolean hasNext() {
return next != null;
}

// 获取下一个元素
final Entry<K,V> nextEntry() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
Entry<K,V> e = next;
if (e == null)
throw new NoSuchElementException();

// 注意！！！
// 一个Entry就是一个单向链表
// 若该Entry的下一个节点不为空，就将next指向下一个节点;
// 否则，将next指向下一个链表(也是下一个Entry)的不为null的节点。
if ((next = e.next) == null) {
Entry[] t = table;
while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
;
}
current = e;
return e;
}

...
}

 1 // 返回“HashMap的Entry集合”
 2 public Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() {
 3     return entrySet0();
 4 }
 5 // 返回“HashMap的Entry集合”，它实际是返回一个EntrySet对象
 6 private Set<Map.Entry<K,V>> entrySet0() {
 7     Set<Map.Entry<K,V>> es = entrySet;
 8     return es != null ? es : (entrySet = new EntrySet());
 9 }
10 // EntrySet对应的集合
11 // EntrySet继承于AbstractSet，说明该集合中没有重复的EntrySet。
12 private final class EntrySet extends AbstractSet<Map.Entry<K,V>> {
13     ...
14     public Iterator<Map.Entry<K,V>> iterator() {
15         return newEntryIterator();
16     }
17     ...
18 }
19 // 返回一个“entry迭代器”
20 Iterator<Map.Entry<K,V>> newEntryIterator()   {
21     return new EntryIterator();
22 }
23 // Entry的迭代器
24 private final class EntryIterator extends HashIterator<Map.Entry<K,V>> {
25     public Map.Entry<K,V> next() {
26         return nextEntry();
27     }
28 }
29 private abstract class HashIterator<E> implements Iterator<E> {
30     // 下一个元素
31     Entry<K,V> next;
32     // expectedModCount用于实现fail-fast机制。
33     int expectedModCount;
34     // 当前索引
35     int index;
36     // 当前元素
37     Entry<K,V> current;
38 
39     HashIterator() {
40         expectedModCount = modCount;
41         if (size > 0) { // advance to first entry
42             Entry[] t = table;
43             // 将next指向table中第一个不为null的元素。
44             // 这里利用了index的初始值为0，从0开始依次向后遍历，直到找到不为null的元素就退出循环。
45             while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
46                 ;
47         }
48     }
49 
50     public final boolean hasNext() {
51         return next != null;
52     }
53 
54     // 获取下一个元素
55     final Entry<K,V> nextEntry() {
56         if (modCount != expectedModCount)
57             throw new ConcurrentModificationException();
58         Entry<K,V> e = next;
59         if (e == null)
60             throw new NoSuchElementException();
61 
62         // 注意！！！
63         // 一个Entry就是一个单向链表
64         // 若该Entry的下一个节点不为空，就将next指向下一个节点;
65         // 否则，将next指向下一个链表(也是下一个Entry)的不为null的节点。
66         if ((next = e.next) == null) {
67             Entry[] t = table;
68             while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
69                 ;
70         }
71         current = e;
72         return e;
73     }
74 
75     ...
76 }

Hashtable的实现方式：先从“后向往前”的遍历数组；对数组具体某一项对应的链表，则从表头开始往后遍历。

public Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() {
if (entrySet==null)
entrySet = Collections.synchronizedSet(new EntrySet(), this);
return entrySet;
}

private class EntrySet extends AbstractSet<Map.Entry<K,V>> {
public Iterator<Map.Entry<K,V>> iterator() {
return getIterator(ENTRIES);
}
...
}

private class Enumerator<T> implements Enumeration<T>, Iterator<T> {
// 指向Hashtable的table
Entry[] table = Hashtable.this.table;
// Hashtable的总的大小
int index = table.length;
Entry<K,V> entry = null;
Entry<K,V> lastReturned = null;
int type;

// Enumerator是 “迭代器(Iterator)” 还是 “枚举类(Enumeration)”的标志
// iterator为true，表示它是迭代器；否则，是枚举类。
boolean iterator;

// 在将Enumerator当作迭代器使用时会用到，用来实现fail-fast机制。
protected int expectedModCount = modCount;

Enumerator(int type, boolean iterator) {
this.type = type;
this.iterator = iterator;
}

// 从遍历table的数组的末尾向前查找，直到找到不为null的Entry。
public boolean hasMoreElements() {
Entry<K,V> e = entry;
int i = index;
Entry[] t = table;
/* Use locals for faster loop iteration */
while (e == null && i > 0) {
e = t[--i];
}
entry = e;
index = i;
return e != null;
}

// 获取下一个元素
// 注意：从hasMoreElements() 和nextElement() 可以看出“Hashtable的elements()遍历方式”
// 首先，从后向前的遍历table数组。table数组的每个节点都是一个单向链表(Entry)。
// 然后，依次向后遍历单向链表Entry。
public T nextElement() {
Entry<K,V> et = entry;
int i = index;
Entry[] t = table;
/* Use locals for faster loop iteration */
while (et == null && i > 0) {
et = t[--i];
}
entry = et;
index = i;
if (et != null) {
Entry<K,V> e = lastReturned = entry;
entry = e.next;
return type == KEYS ? (T)e.key : (type == VALUES ? (T)e.value : (T)e);
}
throw new NoSuchElementException("Hashtable Enumerator");
}

// 迭代器Iterator的判断是否存在下一个元素
// 实际上，它是调用的hasMoreElements()
public boolean hasNext() {
return hasMoreElements();
}

// 迭代器获取下一个元素
// 实际上，它是调用的nextElement()
public T next() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
return nextElement();
}

...

}

 1 public Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() {
 2     if (entrySet==null)
 3         entrySet = Collections.synchronizedSet(new EntrySet(), this);
 4     return entrySet;
 5 }
 6 
 7 private class EntrySet extends AbstractSet<Map.Entry<K,V>> {
 8     public Iterator<Map.Entry<K,V>> iterator() {
 9         return getIterator(ENTRIES);
10     }
11     ...
12 }
13 
14 private class Enumerator<T> implements Enumeration<T>, Iterator<T> {
15     // 指向Hashtable的table
16     Entry[] table = Hashtable.this.table;
17     // Hashtable的总的大小
18     int index = table.length;
19     Entry<K,V> entry = null;
20     Entry<K,V> lastReturned = null;
21     int type;
22 
23     // Enumerator是 “迭代器(Iterator)” 还是 “枚举类(Enumeration)”的标志
24     // iterator为true，表示它是迭代器；否则，是枚举类。
25     boolean iterator;
26 
27     // 在将Enumerator当作迭代器使用时会用到，用来实现fail-fast机制。
28     protected int expectedModCount = modCount;
29 
30     Enumerator(int type, boolean iterator) {
31         this.type = type;
32         this.iterator = iterator;
33     }
34 
35     // 从遍历table的数组的末尾向前查找，直到找到不为null的Entry。
36     public boolean hasMoreElements() {
37         Entry<K,V> e = entry;
38         int i = index;
39         Entry[] t = table;
40         /* Use locals for faster loop iteration */
41         while (e == null && i > 0) {
42             e = t[--i];
43         }
44         entry = e;
45         index = i;
46         return e != null;
47     }
48 
49     // 获取下一个元素
50     // 注意：从hasMoreElements() 和nextElement() 可以看出“Hashtable的elements()遍历方式”
51     // 首先，从后向前的遍历table数组。table数组的每个节点都是一个单向链表(Entry)。
52     // 然后，依次向后遍历单向链表Entry。
53     public T nextElement() {
54         Entry<K,V> et = entry;
55         int i = index;
56         Entry[] t = table;
57         /* Use locals for faster loop iteration */
58         while (et == null && i > 0) {
59             et = t[--i];
60         }
61         entry = et;
62         index = i;
63         if (et != null) {
64             Entry<K,V> e = lastReturned = entry;
65             entry = e.next;
66             return type == KEYS ? (T)e.key : (type == VALUES ? (T)e.value : (T)e);
67         }
68         throw new NoSuchElementException("Hashtable Enumerator");
69     }
70 
71     // 迭代器Iterator的判断是否存在下一个元素
72     // 实际上，它是调用的hasMoreElements()
73     public boolean hasNext() {
74         return hasMoreElements();
75     }
76 
77     // 迭代器获取下一个元素
78     // 实际上，它是调用的nextElement()
79     public T next() {
80         if (modCount != expectedModCount)
81             throw new ConcurrentModificationException();
82         return nextElement();
83     }
84 
85     ...
86 
87 }

6 容量的初始值 和 增加方式都不一样

HashMap默认的容量大小是16；增加容量时，每次将容量变为“原始容量x2”。
Hashtable默认的容量大小是11；增加容量时，每次将容量变为“原始容量x2 + 1”。

HashMap默认的“加载因子”是0.75, 默认的容量大小是16。

// 默认的初始容量是16，必须是2的幂。
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;

// 默认加载因子
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

// 指定“容量大小”的构造函数
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}

 1 // 默认的初始容量是16，必须是2的幂。
 2 static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;
 3 
 4 // 默认加载因子
 5 static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
 6 
 7 // 指定“容量大小”的构造函数
 8 public HashMap(int initialCapacity) {
 9     this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
10 }

当HashMap的 “实际容量” >= “阈值”时，(阈值 = 总的容量 * 加载因子)，就将HashMap的容量翻倍。

// 新增Entry。将“key-value”插入指定位置，bucketIndex是位置索引。
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
// 保存“bucketIndex”位置的值到“e”中
Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
// 设置“bucketIndex”位置的元素为“新Entry”，
// 设置“e”为“新Entry的下一个节点”
table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
// 若HashMap的实际大小 不小于 “阈值”，则调整HashMap的大小
if (size++ >= threshold)
resize(2 * table.length);
}

 1 // 新增Entry。将“key-value”插入指定位置，bucketIndex是位置索引。
 2 void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
 3     // 保存“bucketIndex”位置的值到“e”中
 4     Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
 5     // 设置“bucketIndex”位置的元素为“新Entry”，
 6     // 设置“e”为“新Entry的下一个节点”
 7     table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
 8     // 若HashMap的实际大小 不小于 “阈值”，则调整HashMap的大小
 9     if (size++ >= threshold)
10         resize(2 * table.length);
11 }

Hashtable默认的“加载因子”是0.75, 默认的容量大小是11。 

// 默认构造函数。
2 public Hashtable() {
3     // 默认构造函数，指定的容量大小是11；加载因子是0.75
4     this(11, 0.75f);
5 }

1 // 默认构造函数。
2 public Hashtable() {
3     // 默认构造函数，指定的容量大小是11；加载因子是0.75
4     this(11, 0.75f);
5 }

当Hashtable的 “实际容量” >= “阈值”时，(阈值 = 总的容量 x 加载因子)，就将变为“原始容量x2 + 1”。

// 调整Hashtable的长度，将长度变成原来的(2倍+1)
// (01) 将“旧的Entry数组”赋值给一个临时变量。
// (02) 创建一个“新的Entry数组”，并赋值给“旧的Entry数组”
// (03) 将“Hashtable”中的全部元素依次添加到“新的Entry数组”中
protected void rehash() {
int oldCapacity = table.length;
Entry[] oldMap = table;

int newCapacity = oldCapacity * 2 + 1;
Entry[] newMap = new Entry[newCapacity];

modCount++;
threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
table = newMap;

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;
}
}
}

 1 // 调整Hashtable的长度，将长度变成原来的(2倍+1)
 2 // (01) 将“旧的Entry数组”赋值给一个临时变量。
 3 // (02) 创建一个“新的Entry数组”，并赋值给“旧的Entry数组”
 4 // (03) 将“Hashtable”中的全部元素依次添加到“新的Entry数组”中
 5 protected void rehash() {
 6     int oldCapacity = table.length;
 7     Entry[] oldMap = table;
 8 
 9     int newCapacity = oldCapacity * 2 + 1;
10     Entry[] newMap = new Entry[newCapacity];
11 
12     modCount++;
13     threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
14     table = newMap;
15 
16     for (int i = oldCapacity ; i-- > 0 ;) {
17         for (Entry<K,V> old = oldMap[i] ; old != null ; ) {
18             Entry<K,V> e = old;
19             old = old.next;
20 
21             int index = (e.hash & 0x7FFFFFFF) % newCapacity;
22             e.next = newMap[index];
23             newMap[index] = e;
24         }
25     }
26 }

7 添加key-value时的hash值算法不同

HashMap添加元素时，是使用自定义的哈希算法。
Hashtable没有自定义哈希算法，而直接采用的key的hashCode()。

HashMap添加元素时，是使用自定义的哈希算法。

 1 static int hash(int h) {
 2     h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
 3     return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
 4 }
 5 
 6 // 将“key-value”添加到HashMap中
 7 public V put(K key, V value) {
 8     // 若“key为null”，则将该键值对添加到table[0]中。
 9     if (key == null)
10         return putForNullKey(value);
11     // 若“key不为null”，则计算该key的哈希值，然后将其添加到该哈希值对应的链表中。
12     int hash = hash(key.hashCode());
13     int i = indexFor(hash, table.length);
14     for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
15         Object k;
16         // 若“该key”对应的键值对已经存在，则用新的value取代旧的value。然后退出！
17         if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
18             V oldValue = e.value;
19             e.value = value;
20             e.recordAccess(this);
21             return oldValue;
22         }
23     }
24 
25     // 若“该key”对应的键值对不存在，则将“key-value”添加到table中
26     modCount++;
27     addEntry(hash, key, value, i);
28     return null;
29 }

 

static int hash(int h) {
h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}

// 将“key-value”添加到HashMap中
public V put(K key, V value) {
// 若“key为null”，则将该键值对添加到table[0]中。
if (key == null)
return putForNullKey(value);
// 若“key不为null”，则计算该key的哈希值，然后将其添加到该哈希值对应的链表中。
int hash = hash(key.hashCode());
int i = indexFor(hash, table.length);
for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
Object k;
// 若“该key”对应的键值对已经存在，则用新的value取代旧的value。然后退出！
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}

// 若“该key”对应的键值对不存在，则将“key-value”添加到table中
modCount++;
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}

Hashtable没有自定义哈希算法，而直接采用的key的hashCode()。

public synchronized V put(K key, V value) {
// Hashtable中不能插入value为null的元素！！！
if (value == null) {
throw new NullPointerException();
}

// 若“Hashtable中已存在键为key的键值对”，
// 则用“新的value”替换“旧的value”
Entry tab[] = table;
int hash = key.hashCode();
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)) {
V old = e.value;
e.value = value;
return old;
}
}

// 若“Hashtable中不存在键为key的键值对”，
// (01) 将“修改统计数”+1
modCount++;
// (02) 若“Hashtable实际容量” > “阈值”(阈值=总的容量 * 加载因子)
// 则调整Hashtable的大小
if (count >= threshold) {
// Rehash the table if the threshold is exceeded
rehash();

tab = table;
index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
}

// (03) 将“Hashtable中index”位置的Entry(链表)保存到e中
Entry<K,V> e = tab[index];
// (04) 创建“新的Entry节点”，并将“新的Entry”插入“Hashtable的index位置”，并设置e为“新的Entry”的下一个元素(即“新Entry”为链表表头)。
tab[index] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
// (05) 将“Hashtable的实际容量”+1
count++;
return null;
}

 1 public synchronized V put(K key, V value) {
 2     // Hashtable中不能插入value为null的元素！！！
 3     if (value == null) {
 4         throw new NullPointerException();
 5     }
 6 
 7     // 若“Hashtable中已存在键为key的键值对”，
 8     // 则用“新的value”替换“旧的value”
 9     Entry tab[] = table;
10     int hash = key.hashCode();
11     int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
12     for (Entry<K,V> e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) {
13         if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {
14             V old = e.value;
15             e.value = value;
16             return old;
17             }
18     }
19 
20     // 若“Hashtable中不存在键为key的键值对”，
21     // (01) 将“修改统计数”+1
22     modCount++;
23     // (02) 若“Hashtable实际容量” > “阈值”(阈值=总的容量 * 加载因子)
24     //  则调整Hashtable的大小
25     if (count >= threshold) {
26         // Rehash the table if the threshold is exceeded
27         rehash();
28 
29         tab = table;
30         index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
31     }
32 
33     // (03) 将“Hashtable中index”位置的Entry(链表)保存到e中
34     Entry<K,V> e = tab[index];
35     // (04) 创建“新的Entry节点”，并将“新的Entry”插入“Hashtable的index位置”，并设置e为“新的Entry”的下一个元素(即“新Entry”为链表表头)。        
36     tab[index] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
37     // (05) 将“Hashtable的实际容量”+1
38     count++;
39     return null;
40 }

8 部分API不同

Hashtable支持contains(Object value)方法，而且重写了toString()方法；
而HashMap不支持contains(Object value)方法，没有重写toString()方法。

最后，再说说“HashMap和Hashtable”使用的情景。
其实，若了解它们之间的不同之处后，可以很容易的区分根据情况进行取舍。例如：(01) 若在单线程中，我们往往会选择HashMap；而在多线程中，则会选择Hashtable。(02)，若不能插入null元素，则选择Hashtable；否则，可以选择HashMap。
但这个不是绝对的标准。例如，在多线程中，我们可以自己对HashMap进行同步，也可以选择ConcurrentHashMap。当HashMap和Hashtable都不能满足自己的需求时，还可以考虑新定义一个类，继承或重新实现散列表；当然，一般情况下是不需要的了。

第3部分 HashMap和WeakHashMap异同

3.1 HashMap和WeakHashMap的相同点

1 它们都是散列表，存储的是“键值对”映射。
2 它们都继承于AbstractMap，并且实现Map基础。
3 它们的构造函数都一样。
   它们都包括4个构造函数，而且函数的参数都一样。
4 默认的容量大小是16，默认的加载因子是0.75。
5 它们的“键”和“值”都允许为null。
6 它们都是“非同步的”。

3.2 HashMap和WeakHashMap的不同点

1 HashMap实现了Cloneable和Serializable接口，而WeakHashMap没有。
   HashMap实现Cloneable，意味着它能通过clone()克隆自己。
   HashMap实现Serializable，意味着它支持序列化，能通过序列化去传输。

2 HashMap的“键”是“强引用(StrongReference)”，而WeakHashMap的键是“弱引用(WeakReference)”。
   WeakReference的“弱键”能实现WeakReference对“键值对”的动态回收。当“弱键”不再被使用到时，GC会回收它，WeakReference也会将“弱键”对应的键值对删除。
   这个“弱键”实现的动态回收“键值对”的原理呢？其实，通过WeakReference(弱引用)和ReferenceQueue(引用队列)实现的。 首先，我们需要了解WeakHashMap中：
    第一，“键”是WeakReference，即key是弱键。
    第二，ReferenceQueue是一个引用队列，它是和WeakHashMap联合使用的。当弱引用所引用的对象被垃圾回收，Java虚拟机就会把这个弱引用加入到与之关联的引用队列中。 WeakHashMap中的ReferenceQueue是queue。
   第三，WeakHashMap是通过数组实现的，我们假设这个数组是table。
 

接下来，说说“动态回收”的步骤。

(01) 新建WeakHashMap，将“键值对”添加到WeakHashMap中。
        将“键值对”添加到WeakHashMap中时，添加的键都是弱键。
        实际上，WeakHashMap是通过数组table保存Entry(键值对)；每一个Entry实际上是一个单向链表，即Entry是键值对链表。
(02) 当某“弱键”不再被其它对象引用，并被GC回收时。在GC回收该“弱键”时，这个“弱键”也同时会被添加到queue队列中。
        例如，当我们在将“弱键”key添加到WeakHashMap之后；后来将key设为null。这时，便没有外部外部对象再引用该了key。
        接着，当Java虚拟机的GC回收内存时，会回收key的相关内存；同时，将key添加到queue队列中。
(03) 当下一次我们需要操作WeakHashMap时，会先同步table和queue。table中保存了全部的键值对，而queue中保存被GC回收的“弱键”；同步它们，就是删除table中被GC回收的“弱键”对应的键值对。
        例如，当我们“读取WeakHashMap中的元素或获取WeakReference的大小时”，它会先同步table和queue，目的是“删除table中被GC回收的‘弱键’对应的键值对”。删除的方法就是逐个比较“table中元素的‘键’和queue中的‘键’”，若它们相当，则删除“table中的该键值对”。

3.3 HashMap和WeakHashMap的比较测试程序

import java.util.HashMap;
import java.util.Iterator;
import java.util.Map;
import java.util.WeakHashMap;
import java.util.Date;
import java.lang.ref.WeakReference;

/**
* @desc HashMap 和 WeakHashMap比较程序
*
* @author skywang
* @email kuiwu-wang@163.com
*/
public class CompareHashmapAndWeakhashmap {

public static void main(String[] args) throws Exception {

// 当“弱键”是String时，比较HashMap和WeakHashMap
compareWithString();
// 当“弱键”是自定义类型时，比较HashMap和WeakHashMap
compareWithSelfClass();
}

/**
* 遍历map，并打印map的大小
*/
private static void iteratorAndCountMap(Map map) {
// 遍历map
for (Iterator iter = map.entrySet().iterator();
iter.hasNext(); ) {
Map.Entry en = (Map.Entry)iter.next();
System.out.printf("map entry : %s - %s ",en.getKey(), en.getValue());
}

// 打印HashMap的实际大小
System.out.printf(" map size:%s ", map.size());
}

/**
* 通过String对象测试HashMap和WeakHashMap
*/
private static void compareWithString() {
// 新建4个String字符串
String w1 = new String("W1");
String w2 = new String("W2");
String h1 = new String("H1");
String h2 = new String("H2");

// 新建 WeakHashMap对象，并将w1,w2添加到 WeakHashMap中
Map wmap = new WeakHashMap();
wmap.put(w1, "w1");
wmap.put(w2, "w2");

// 新建 HashMap对象，并将h1,h2添加到 WeakHashMap中
Map hmap = new HashMap();
hmap.put(h1, "h1");
hmap.put(h2, "h2");

// 删除HashMap中的“h1”。
// 结果：删除“h1”之后，HashMap中只有 h2 ！
hmap.remove(h1);

// 将WeakHashMap中的w1设置null，并执行gc()。系统会回收w1
// 结果：w1是“弱键”，被GC回收后，WeakHashMap中w1对应的键值对，也会被从WeakHashMap中删除。
// w2是“弱键”，但它不是null，不会被GC回收；也就不会被从WeakHashMap中删除。
// 因此，WeakHashMap中只有 w2
// 注意：若去掉“w1=null” 或者“System.gc()”，结果都会不一样！
w1 = null;
System.gc();

// 遍历并打印HashMap的大小
System.out.printf(" -- HashMap -- ");
iteratorAndCountMap(hmap);

// 遍历并打印WeakHashMap的大小
System.out.printf(" -- WeakHashMap -- ");
iteratorAndCountMap(wmap);
}

/**
* 通过自定义类测试HashMap和WeakHashMap
*/
private static void compareWithSelfClass() {
// 新建4个自定义对象
Self s1 = new Self(10);
Self s2 = new Self(20);
Self s3 = new Self(30);
Self s4 = new Self(40);

// 新建 WeakHashMap对象，并将s1,s2添加到 WeakHashMap中
Map wmap = new WeakHashMap();
wmap.put(s1, "s1");
wmap.put(s2, "s2");

// 新建 HashMap对象，并将s3,s4添加到 WeakHashMap中
Map hmap = new HashMap();
hmap.put(s3, "s3");
hmap.put(s4, "s4");

// 删除HashMap中的s3。
// 结果：删除s3之后，HashMap中只有 s4 ！
hmap.remove(s3);

// 将WeakHashMap中的s1设置null，并执行gc()。系统会回收w1
// 结果：s1是“弱键”，被GC回收后，WeakHashMap中s1对应的键值对，也会被从WeakHashMap中删除。
// w2是“弱键”，但它不是null，不会被GC回收；也就不会被从WeakHashMap中删除。
// 因此，WeakHashMap中只有 s2
// 注意：若去掉“s1=null” 或者“System.gc()”，结果都会不一样！
s1 = null;
System.gc();

/*
// 休眠500ms
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
// */

// 遍历并打印HashMap的大小
System.out.printf(" -- Self-def HashMap -- ");
iteratorAndCountMap(hmap);

// 遍历并打印WeakHashMap的大小
System.out.printf(" -- Self-def WeakHashMap -- ");
iteratorAndCountMap(wmap);
}

private static class Self {
int id;

public Self(int id) {
this.id = id;
}

// 覆盖finalize()方法
// 在GC回收时会被执行
protected void finalize() throws Throwable {
super.finalize();
System.out.printf("GC Self: id=%d addr=0x%s) ", id, this);
}
}
}

  1 import java.util.HashMap;
  2 import java.util.Iterator;
  3 import java.util.Map;
  4 import java.util.WeakHashMap;
  5 import java.util.Date;
  6 import java.lang.ref.WeakReference;
  7 
  8 /**
  9  * @desc HashMap 和 WeakHashMap比较程序
 10  *
 11  * @author skywang
 12  * @email kuiwu-wang@163.com
 13  */
 14 public class CompareHashmapAndWeakhashmap {
 15 
 16     public static void main(String[] args) throws Exception {
 17 
 18         // 当“弱键”是String时，比较HashMap和WeakHashMap
 19         compareWithString();
 20         // 当“弱键”是自定义类型时，比较HashMap和WeakHashMap
 21         compareWithSelfClass();
 22     }
 23 
 24     /**
 25      * 遍历map，并打印map的大小
 26      */
 27     private static void iteratorAndCountMap(Map map) {
 28         // 遍历map
 29         for (Iterator iter = map.entrySet().iterator();
 30                 iter.hasNext();  ) {
 31             Map.Entry en = (Map.Entry)iter.next();
 32             System.out.printf("map entry : %s - %s
 ",en.getKey(), en.getValue());
 33         }
 34 
 35         // 打印HashMap的实际大小
 36         System.out.printf(" map size:%s

", map.size());
 37     }
 38 
 39     /**
 40      * 通过String对象测试HashMap和WeakHashMap
 41      */
 42     private static void compareWithString() {
 43         // 新建4个String字符串
 44         String w1 = new String("W1");
 45         String w2 = new String("W2");
 46         String h1 = new String("H1");
 47         String h2 = new String("H2");
 48 
 49         // 新建 WeakHashMap对象，并将w1,w2添加到 WeakHashMap中
 50         Map wmap = new WeakHashMap();
 51         wmap.put(w1, "w1");
 52         wmap.put(w2, "w2");
 53 
 54         // 新建 HashMap对象，并将h1,h2添加到 WeakHashMap中
 55         Map hmap = new HashMap();
 56         hmap.put(h1, "h1");
 57         hmap.put(h2, "h2");
 58 
 59         // 删除HashMap中的“h1”。
 60         // 结果：删除“h1”之后，HashMap中只有 h2 ！
 61         hmap.remove(h1);
 62 
 63         // 将WeakHashMap中的w1设置null，并执行gc()。系统会回收w1
 64         // 结果：w1是“弱键”，被GC回收后，WeakHashMap中w1对应的键值对，也会被从WeakHashMap中删除。
 65         //       w2是“弱键”，但它不是null，不会被GC回收；也就不会被从WeakHashMap中删除。
 66         // 因此，WeakHashMap中只有 w2
 67         // 注意：若去掉“w1=null” 或者“System.gc()”，结果都会不一样！
 68         w1 = null;
 69         System.gc();
 70 
 71         // 遍历并打印HashMap的大小
 72         System.out.printf(" -- HashMap --
");
 73         iteratorAndCountMap(hmap);
 74 
 75         // 遍历并打印WeakHashMap的大小
 76         System.out.printf(" -- WeakHashMap --
");
 77         iteratorAndCountMap(wmap);
 78     }
 79 
 80     /**
 81      * 通过自定义类测试HashMap和WeakHashMap
 82      */
 83     private static void compareWithSelfClass() {
 84         // 新建4个自定义对象
 85         Self s1 = new Self(10);
 86         Self s2 = new Self(20);
 87         Self s3 = new Self(30);
 88         Self s4 = new Self(40);
 89         
 90         // 新建 WeakHashMap对象，并将s1,s2添加到 WeakHashMap中
 91         Map wmap = new WeakHashMap();
 92         wmap.put(s1, "s1");
 93         wmap.put(s2, "s2");
 94         
 95         // 新建 HashMap对象，并将s3,s4添加到 WeakHashMap中
 96         Map hmap = new HashMap();
 97         hmap.put(s3, "s3");
 98         hmap.put(s4, "s4");
 99 
100         // 删除HashMap中的s3。
101         // 结果：删除s3之后，HashMap中只有 s4 ！
102         hmap.remove(s3);
103 
104         // 将WeakHashMap中的s1设置null，并执行gc()。系统会回收w1
105         // 结果：s1是“弱键”，被GC回收后，WeakHashMap中s1对应的键值对，也会被从WeakHashMap中删除。
106         //       w2是“弱键”，但它不是null，不会被GC回收；也就不会被从WeakHashMap中删除。
107         // 因此，WeakHashMap中只有 s2
108         // 注意：若去掉“s1=null” 或者“System.gc()”，结果都会不一样！
109         s1 = null;
110         System.gc();
111 
112         /*
113         // 休眠500ms
114         try {
115             Thread.sleep(500);
116         } catch (InterruptedException e) {
117             e.printStackTrace();
118         }
119         // */
120         
121         // 遍历并打印HashMap的大小
122         System.out.printf(" -- Self-def HashMap --
");
123         iteratorAndCountMap(hmap);
124 
125         // 遍历并打印WeakHashMap的大小
126         System.out.printf(" -- Self-def WeakHashMap --
");
127         iteratorAndCountMap(wmap);
128     }
129 
130     private static class Self { 
131         int id;
132 
133         public Self(int id) {
134             this.id = id;
135         }
136 
137         // 覆盖finalize()方法
138         // 在GC回收时会被执行
139         protected void finalize() throws Throwable {
140             super.finalize();
141             System.out.printf("GC Self: id=%d addr=0x%s)
", id, this);
142         }   
143     }
144 }

运行结果：

 -- HashMap --
map entry : H2 - h2
  map size:1

 -- WeakHashMap --
map entry : W2 - w2
  map size:1

 -- Self-def HashMap --
map entry : CompareHashmapAndWeakhashmap$Self@1ff9dc36 - s4
  map size:1

 -- Self-def WeakHashMap --
GC Self: id=10 addr=0xCompareHashmapAndWeakhashmap$Self@12276af2)
map entry : CompareHashmapAndWeakhashmap$Self@59de3f2d - s2
  map size:1