C# HashSet和HashMap、Hashtable的区别

2014-05-11 懒惰的肥兔


HashMap和Hashtable的区别


两者最主要的区别在于Hashtable是线程安全,而HashMap则非线程安全

Hashtable的实现方法里面都添加了synchronized关键字来确保线程同步,因此相对而言HashMap性能会高一些,我们平时使用时若无特殊需求建议使用HashMap,在多线程环境下若使用HashMap需要使用Collections.synchronizedMap()方法来获取一个线程安全的集合(Collections.synchronizedMap()实现原理是Collections定义了一个SynchronizedMap的内部类,这个类实现了Map接口,在调用方法时使用synchronized来保证线程同步,当然了实际上操作的还是我们传入的HashMap实例,简单的说就是Collections.synchronizedMap()方法帮我们在操作HashMap时自动添加了synchronized来实现线程同步,类似的其它Collections.synchronizedXX方法也是类似原理)

HashMap可以使用null作为key,而Hashtable则不允许null作为key

虽说HashMap支持null值作为key,不过建议还是尽量避免这样使用,因为一旦不小心使用了,若因此引发一些问题,排查起来很是费事

HashMap以null作为key时,总是存储在table数组的第一个节点上

HashMap是对Map接口的实现,HashTable实现了Map接口和Dictionary抽象类

HashMap的初始容量为16,Hashtable初始容量为11,两者的填充因子默认都是0.75

HashMap扩容时是当前容量翻倍即:capacity*2,Hashtable扩容时是容量翻倍+1即:capacity*2+1

两者计算hash的方法不同

Hashtable计算hash是直接使用key的hashcode对table数组的长度直接进行取模

int hash = key.hashCode();

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

HashMap计算hash对key的hashcode进行了二次hash,以获得更好的散列值,然后对table数组长度取摸


<br>static int hash(int h) {

        // This function ensures that hashCodes that differ only by

        // constant multiples at each bit position have a bounded

        // number of collisions (approximately 8 at default load factor).

        h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);

        return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);

    }



 static int indexFor(int h, int length) {

        return h & (length-1);

    }

 

HashMap和Hashtable的底层实现都是数组+链表结构实现


HashSet和HashMap、Hashtable的区别


除开HashMap和Hashtable外,还有一个hash集合HashSet,有所区别的是HashSet不是key value结构,仅仅是存储不重复的元素,相当于简化版的HashMap,只是包含HashMap中的key而已


通过查看源码也证实了这一点,HashSet内部就是使用HashMap实现,只不过HashSet里面的HashMap所有的value都是同一个Object而已,因此HashSet也是非线程安全的,至于HashSet和Hashtable的区别,HashSet就是个简化的HashMap的,所以你懂的

下面是HashSet几个主要方法的实现


<br>  private transient HashMap map;
  private static final Object PRESENT = new Object();

  public HashSet() {

    map = new HashMap<E,Object>();

    }

 public boolean contains(Object o) {

    return map.containsKey(o);

    }

 public boolean add(E e) {

    return map.put(e, PRESENT)==null;

    }

 public boolean add(E e) {

    return map.put(e, PRESENT)==null;

    }

 public boolean remove(Object o) {

    return map.remove(o)==PRESENT;

    }

 public void clear() {

    map.clear();

    }

HashMap和Hashtable的实现原理


HashMap和Hashtable的底层实现都是数组+链表结构实现的,这点上完全一致


添加、删除、获取元素时都是先计算hash,根据hash和table.length计算index也就是table数组的下标,然后进行相应操作,下面以HashMap为例说明下它的简单实现


   /**
     * HashMap的默认初始容量 必须为2的n次幂
     */

    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;

     /**

     * HashMap的最大容量,可以认为是int的最大值    

     */

    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

    /**

     * 默认的加载因子

     */

    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

    /**

     * HashMap用来存储数据的数组

     */

    transient Entry[] table;


HashMap的创建

HashMap默认初始化时会创建一个默认容量为16的Entry数组,默认加载因子为0.75,同时设置临界值为16*0.75

   /**
     * Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the default initial capacity
     * (16) and the default load factor (0.75).
     */

    public HashMap() {

        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;

        threshold = (int)(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);

        table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];

        init();

    }


put方法

HashMap会对null值key进行特殊处理,总是放到table[0]位置

put过程是先计算hash然后通过hash与table.length取摸计算index值,然后将key放到table[index]位置,当table[index]已存在其它元素时,会在table[index]位置形成一个链表,将新添加的元素放在table[index],原来的元素通过Entry的next进行链接,这样以链表形式解决hash冲突问题,当元素数量达到临界值(capactiy*factor)时,则进行扩容,是table数组长度变为table.length*2


public V put(K key, V value) {

        if (key == null)

            return putForNullKey(value); //处理null值

        int hash = hash(key.hashCode());//计算hash

        int i = indexFor(hash, table.length);//计算在数组中的存储位置

        //遍历table[i]位置的链表,查找相同的key,若找到则使用新的value替换掉原来的oldValue并返回oldValue

        for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {

            Object k;

            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {

                V oldValue = e.value;

                e.value = value;

                e.recordAccess(this);

                return oldValue;

            }

        }

       //若没有在table[i]位置找到相同的key,则添加key到table[i]位置,新的元素总是在table[i]位置的第一个元素,原来的元素后移

        modCount++;

        addEntry(hash, key, value, i);

        return null;

    }



  

    void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {

    //添加key到table[bucketIndex]位置,新的元素总是在table[bucketIndex]的第一个元素,原来的元素后移

    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];

        table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);

    //判断元素个数是否达到了临界值,若已达到临界值则扩容,table长度翻倍

        if (size++ >= threshold)

            resize(2 * table.length);
    }


get方法

同样当key为null时会进行特殊处理,在table[0]的链表上查找key为null的元素

get的过程是先计算hash然后通过hash与table.length取摸计算index值,然后遍历table[index]上的链表,直到找到key,然后返回

public V get(Object key) {

        if (key == null)

            return getForNullKey();//处理null值

        int hash = hash(key.hashCode());//计算hash

        //在table[index]遍历查找key,若找到则返回value,找不到返回null

        for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];

             e != null;

             e = e.next) {

            Object k;

            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))
                return e.value;
        }
        return null;
    }

remove方法

remove方法和put get类似,计算hash,计算index,然后遍历查找,将找到的元素从table[index]链表移除

public V remove(Object key) {

        Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);

        return (e == null ? null : e.value);

    }

    final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {

        int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());

        int i = indexFor(hash, table.length);

        Entry<K,V> prev = table[i];

        Entry<K,V> e = prev;



        while (e != null) {

            Entry<K,V> next = e.next;

            Object k;

            if (e.hash == hash &&

                ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {

                modCount++;

                size--;

                if (prev == e)

                    table[i] = next;

                else

                    prev.next = next;

                e.recordRemoval(this);

                return e;

            }

            prev = e;

            e = next;

        }



        return e;

    }


resize方法

resize方法在hashmap中并没有公开,这个方法实现了非常重要的hashmap扩容,具体过程为:先创建一个容量为table.length*2的新table,修改临界值,然后把table里面元素计算hash值并使用hash与table.length*2重新计算index放入到新的table里面

这里需要注意下是用每个元素的hash全部重新计算index,而不是简单的把原table对应index位置元素简单的移动到新table对应位置

void resize(int newCapacity) {

        Entry[] oldTable = table;

        int oldCapacity = oldTable.length;

        if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {

            threshold = Integer.MAX_VALUE;

            return;

        }



        Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];

        transfer(newTable);

        table = newTable;

        threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);

    }



    void transfer(Entry[] newTable) {

        Entry[] src = table;

        int newCapacity = newTable.length;

        for (int j = 0; j < src.length; j++) {

            Entry<K,V> e = src[j];

            if (e != null) {

                src[j] = null;        

                do {

                    Entry<K,V> next = e.next;

                    //重新对每个元素计算index

                    int i = indexFor(e.hash, newCapacity);

                    e.next = newTable[i];

                    newTable[i] = e;

                    e = next;

                } while (e != null);

            }

        }

    }


clear方法

clear方法非常简单,就是遍历table然后把每个位置置为null,同时修改元素个数为0

需要注意的是clear方法只会清楚里面的元素,并不会重置capactiy

 public void clear() {

        modCount++;

        Entry[] tab = table;

        for (int i = 0; i < tab.length; i++)

            tab[i] = null;

        size = 0;

    }


containsKey和containsValue

containsKey方法是先计算hash然后使用hash和table.length取摸得到index值,遍历table[index]元素查找是否包含key相同的值

public boolean containsKey(Object key) {

        return getEntry(key) != null;

    }

final Entry<K,V> getEntry(Object key) {

        int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());

        for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];

             e != null;

             e = e.next) {

            Object k;

            if (e.hash == hash &&

                ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))

                return e;

        }

        return null;

    }


containsValue方法就比较粗暴了,就是直接遍历所有元素直到找到value,由此可见HashMap的containsValue方法本质上和普通数组和list的contains方法没什么区别,你别指望它会像containsKey那么高效


public boolean containsValue(Object value) {

    if (value == null)

            return containsNullValue();

    Entry[] tab = table;

        for (int i = 0; i < tab.length ; i++)

            for (Entry e = tab[i] ; e != null ; e = e.next)

                if (value.equals(e.value))

                    return true;

    return false;

    }


hash和indexFor

indexFor中的h & (length-1)就相当于h%length,用于计算index也就是在table数组中的下标

hash方法是对hashcode进行二次散列,以获得更好的散列值

为了更好理解这里我们可以把这两个方法简化为


int index= key.hashCode()//table.length,以put中的方法为例可以这样替换<br><br>int hash = hash(key.hashCode());//计算hash

int i = indexFor(hash, table.length);//计算在数组中的存储位置

//上面这两行可以这样简化

int i = key.key.hashCode()%table.length;


static int hash(int h) {

        // This function ensures that hashCodes that differ only by

        // constant multiples at each bit position have a bounded

        // number of collisions (approximately 8 at default load factor).

        h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);

        return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);

    }

    static int indexFor(int h, int length) {

        return h & (length-1);

    }

HashMap的简化实现MyHashMap


为了加深理解,我个人实现了一个简化版本的HashMap,注意哦,仅仅是简化版的功能并不完善,仅供参考


package cn.lzrabbit.structure;

/**

 * Created by rabbit on 14-5-4.

 */

public class MyHashMap {



    //默认初始化大小 16

    private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;

    //默认负载因子 0.75

    private static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;



    //临界值

    private int threshold;



    //元素个数

    private int size;



    //扩容次数

    private int resize;



    private HashEntry[] table;



    public MyHashMap() {

        table = new HashEntry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];

        threshold = (int) (DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);

        size = 0;

    }



    private int index(Object key) {

        //根据key的hashcode和table长度取模计算key在table中的位置

        return key.hashCode() % table.length;

    }



    public void put(Object key, Object value) {

        //key为null时需要特殊处理,为简化实现忽略null值

        if (key == null) return;

        int index = index(key);



        //遍历index位置的entry,若找到重复key则更新对应entry的值,然后返回

        HashEntry entry = table[index];

        while (entry != null) {

            if (entry.getKey().hashCode() == key.hashCode() && (entry.getKey() == key || entry.getKey().equals(key))) {

                entry.setValue(value);

                return;

            }

            entry = entry.getNext();

        }

        //若index位置没有entry或者未找到重复的key,则将新key添加到table的index位置

        add(index, key, value);

    }



    private void add(int index, Object key, Object value) {

        //将新的entry放到table的index位置第一个,若原来有值则以链表形式存放

        HashEntry entry = new HashEntry(key, value, table[index]);

        table[index] = entry;

        //判断size是否达到临界值,若已达到则进行扩容,将table的capacicy翻倍

        if (size++ >= threshold) {

            resize(table.length * 2);

        }

    }



    private void resize(int capacity) {

        if (capacity <= table.length) return;



        HashEntry[] newTable = new HashEntry[capacity];

        //遍历原table,将每个entry都重新计算hash放入newTable中

        for (int i = 0; i < table.length; i++) {

            HashEntry old = table[i];

            while (old != null) {

                HashEntry next = old.getNext();

                int index = index(old.getKey());

                old.setNext(newTable[index]);

                newTable[index] = old;

                old = next;

            }

        }

        //用newTable替table

        table = newTable;

        //修改临界值

        threshold = (int) (table.length * DEFAULT_LOAD_FACTOR);

        resize++;

    }



    public Object get(Object key) {

        //这里简化处理,忽略null值

        if (key == null) return null;

        HashEntry entry = getEntry(key);

        return entry == null ? null : entry.getValue();

    }



    public HashEntry getEntry(Object key) {

        HashEntry entry = table[index(key)];

        while (entry != null) {

            if (entry.getKey().hashCode() == key.hashCode() && (entry.getKey() == key || entry.getKey().equals(key))) {

                return entry;

            }

            entry = entry.getNext();

        }

        return null;

    }



    public void remove(Object key) {

        if (key == null) return;

        int index = index(key);

        HashEntry pre = null;

        HashEntry entry = table[index];

        while (entry != null) {

            if (entry.getKey().hashCode() == key.hashCode() && (entry.getKey() == key || entry.getKey().equals(key))) {

                if (pre == null) table[index] = entry.getNext();

                else pre.setNext(entry.getNext());

                //如果成功找到并删除,修改size

                size--;

                return;

            }

            pre = entry;

            entry = entry.getNext();

        }

    }



    public boolean containsKey(Object key) {

        if (key == null) return false;

        return getEntry(key) != null;

    }



    public int size() {

        return this.size;

    }



    public void clear() {

        for (int i = 0; i < table.length; i++) {

            table[i] = null;

        }

        this.size = 0;

    }




    @Override

    public String toString() {

        StringBuilder sb = new StringBuilder();

        sb.append(String.format("size:%s capacity:%s resize:%s\n\n", size, table.length, resize));

        for (HashEntry entry : table) {

            while (entry != null) {

                sb.append(entry.getKey() + ":" + entry.getValue() + "\n");

                entry = entry.getNext();

            }

        }

        return sb.toString();

    }

}



class HashEntry {

    private final Object key;

    private Object value;

    private HashEntry next;



    public HashEntry(Object key, Object value, HashEntry next) {

        this.key = key;

        this.value = value;

        this.next = next;

    }



    public Object getKey() {

        return key;

    }



    public Object getValue() {

        return value;

    }



    public void setValue(Object value) {

        this.value = value;

    }



    public HashEntry getNext() {

        return next;

    }



    public void setNext(HashEntry next) {

        this.next = next;

    }


}