HashMap、HashTable和concurrentHashMap的区别

HashMap和Hashtable的区别

HashMap和Hashtable都实现了Map接口，但决定用哪一个之前先要弄清楚它们之间的分别。主要的区别有：线程安全性，同步(synchronization)，以及速度。

1. HashMap几乎可以等价于Hashtable，除了HashMap是非synchronized的，并可以接受null(HashMap可以接受为null的键值(key)和值(value)，而Hashtable则不行)。
2. HashMap是非synchronized，而Hashtable是synchronized，这意味着Hashtable是线程安全的，多个线程可以共享一个Hashtable；而如果没有正确的同步的话，多个线程是不能共享HashMap的。Java 5提供了ConcurrentHashMap，它是HashTable的替代，比HashTable的扩展性更好。
3. 另一个区别是HashMap的迭代器(Iterator)是fail-fast迭代器，而Hashtable的enumerator迭代器不是fail-fast的。所以当有其它线程改变了HashMap的结构（增加或者移除元素），将会抛出ConcurrentModificationException，但迭代器本身的remove()方法移除元素则不会抛出ConcurrentModificationException异常。但这并不是一个一定发生的行为，要看JVM。这条同样也是Enumeration和Iterator的区别。
4. 由于Hashtable是线程安全的也是synchronized，所以在单线程环境下它比HashMap要慢。如果你不需要同步，只需要单一线程，那么使用HashMap性能要好过Hashtable。
5. HashMap不能保证随着时间的推移Map中的元素次序是不变的。

要注意的一些重要术语：

1) sychronized意味着在一次仅有一个线程能够更改Hashtable。就是说任何线程要更新Hashtable时要首先获得同步锁，其它线程要等到同步锁被释放之后才能再次获得同步锁更新Hashtable。

2) Fail-safe和iterator迭代器相关。如果某个集合对象创建了Iterator或者ListIterator，然后其它的线程试图“结构上”更改集合对象，将会抛出ConcurrentModificationException异常。但其它线程可以通过set()方法更改集合对象是允许的，因为这并没有从“结构上”更改集合。但是假如已经从结构上进行了更改，再调用set()方法，将会抛出IllegalArgumentException异常。

3) 结构上的更改指的是删除或者插入一个元素，这样会影响到map的结构。

我们能否让HashMap同步？

HashMap可以通过下面的语句进行同步：
Map m = Collections.synchronizeMap(hashMap);

结论

Hashtable和HashMap有几个主要的不同：线程安全以及速度。仅在你需要完全的线程安全的时候使用Hashtable，而如果你使用Java 5或以上的话，请使用ConcurrentHashMap吧。

HashMap和ConcurrentHashMap分享

大家一看到这两个类就能想到HashMap不是线程安全的，ConcurrentHashMap是线程安全的。除了这些，还知道什么呢？

先看一下简单的类图： 

从类图中可以看出来在存储结构中ConcurrentHashMap比HashMap多出了一个类Segment，而Segment是一个可重入锁。 
ConcurrentHashMap是使用了锁分段技术技术来保证线程安全的。 
锁分段技术：首先将数据分成一段一段的存储，然后给每一段数据配一把锁，当一个线程占用锁访问其中一个段数据的时候，其他段的数据也能被其他线程访问。

属性说明： 
我们会发现HashMap和Segment里的属性值基本是一样的，因为Segment的本质上就是一个加锁的HashMap，下面是每个属性的意义： 
table：数据存储区 
size,count: 已存数据的大小 
threshold：table需要扩容的临界值，等于table的大小*loadFactor 
loadFactor: 装载因子 
modCount: table结构别修改的次数

hash算法和table数组长度： 
仔细阅读HashMap的构造方法的话，会发现他做了一个操作保证table数组的大小是2的n次方。 
如果使用new HashMap(10)新建一个HashMap，你会发现这个HashMap中table数组实际的大小是16，并不是10.
为什么要这么做呢？这就要从HashMap里的hash和indexFor方法开始说了。

Java代码  

1. static int hash(int h) {
2. // This function ensures that hashCodes that differ only by
3. // constant multiples at each bit position have a bounded
4. // number of collisions (approximately 8 at default load factor).
5. h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
6. return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
7. }
8. /**
9. * Returns index for hash code h.
10. */
11. static int indexFor(int h, int length) {
12. return h & (length-1);
13. }
14. int hash = hash(key.hashCode());
15. int i = indexFor(hash, table.length);

HashMap里的put和get方法都使用了这两个方法将key散列到table数组上去。 
indexFor方法是通过hash值和table数组的长度-1进行于操作，来确定具体的位置。 
为什么要减1呢？因为数组的长度是2的n次方，减1以后就变成低位的二进制码都是1，和hash值做与运算的话，就能得到一个小于数组长度的数了。 
那为什么对hashCode还要做一次hash操作呢？因为如果不做hash操作的话，只有低位的值参与了hash的运算，而高位的值没有参加运算。hash方法是让高位的数字也参加hash运算。 
假如：数组的长度是16 我们会发现hashcode为5和53的散列到同一个位置. 
hashcode:53  00000000 00000000 00000000 00110101 
hashcode:5    00000000 00000000 00000000 00000101 
length-1:15     00000000 00000000 00000000 00001111 
只要hashcode值的最后4位是一样的，那么他们就会散列到同一个位置。 
hash方法是通过一些位运算符，让高位的数值也尽可能的参加到运算中，让它尽可能的散列到table数组上，减少hash冲突。

ConcurrentHashMap的初始化： 
仔细阅读ConcurrentHashMap的构造方法的话，会发现是由initialCapacity，loadFactor, concurrencyLevel几个参数来初始化segments数组的。 
segmentShift和segmentMask是在定位segment时的哈希算法里需要使用的，让其能够尽可能的散列开。 
initialCapacity：ConcurrentHashMap的初始大小 
loadFactor：装载因子 
concurrencyLevel：预想的并发级别,为了能够更好的hash，也保证了concurrencyLevel的值是2的n次方 
segements数组的大小为concurrencyLevel，每个Segement内table的大小为initialCapacity/ concurrencyLevel

ConcurrentHashMap的put和get

Java代码  

1. int hash = hash(key.hashCode());
2. return segmentFor(hash).get(key, hash);

可以发现ConcurrentHashMap通过一次hash，两次定位来找到具体的值的。 
先通过segmentFor方法定位到具体的Segment，再在Segment内部定位到具体的HashEntry，而第二次在Segment内部定位的时候是加锁的。 
ConcurrentHashMap的hash算法比HashMap的hash算法更复杂，应该是想让他能够更好的散列到数组上，减少hash冲突。

HashMap和Segment里modCount的区别： 
modCount都是记录table结构被修改的次数，但是对这个次数的处理上，HashMap和Segment是不一样的。 
HashMap在遍历数据的时候，会判断modCount是否被修改了，如果被修改的话会抛出ConcurrentModificationException异常。 
Segment的modCount在ConcurrentHashMap的containsValue、isEmpty、size方法中用到，ConcurrentHashMap先在不加锁的情况下去做这些计算，如果发现有Segment的modCount被修改了，会再重新获取锁计算。

HashMap和ConcurrentHashMap的区别： 
如果仔细阅读他们的源码，就会发现HashMap是允许插入key和value是null的数据的，而ConcurrentHashMap是不允许key和value是null的。这个是为什么呢？ConcurrentHashMap的作者是这么说的： 
The main reason that nulls aren‘t allowed in ConcurrentMaps (ConcurrentHashMaps, ConcurrentSkipListMaps) is that ambiguities that may be just barely tolerable in non-concurrent maps can‘t be accommodated. The main one is that if map.get(key) returns null, you can‘t detect whether the key explicitly maps to null vs the key isn‘t mapped. In a non-concurrent map, you can check this via map.contains(key), but in a concurrent one, the map might have changed between calls.

为什么重写了equals方法就必须重写hashCode方法呢？ 
绝大多数人都知道如果要把一个对象当作key使用的话，就需要重写equals方法。重写了equals方法的话，就必须重写hashCode方法，否则会出现不正确的结果。那么为什么不重写hashCode方法就会出现不正确结果了呢？这个问题只要仔细阅读一下HashMap的put方法，看看它是如何确定一个key是否已存在的就明白了。关键代码：

Java代码  

1. int hash = hash(key.hashCode());
2. int i = indexFor(hash, table.length);
3. for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
4. Object k;
5. if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
6. V oldValue = e.value;
7. e.value = value;
8. e.recordAccess(this);
9. return oldValue;
10. }
11. }

首先通过key的hashCode来确定具体散列到table的位置，如果这个位置已经有值的话，再通过equals方法判断key是否相等。 
如果只重写equals方法而不重写hashCode方法的话，即使这两个对象通过equals方法判断是相等的，但是因为没有重写hashCode方法，他们的hashCode是不一样的，这样就会被散列到不同的位置去，变成错误的结果了。所以hashCode和equals方法必须一起重写。