HashMap、Hashtable、ConcurrentHashMap的原理与区别
HashTable
- 底层数组+链表实现，无论key还是value都不能为null，线程安全，实现线程安全的方式是在修改数据时锁住整个HashTable，效率低，ConcurrentHashMap做了相关优化
- 初始size为11，扩容：newsize = olesize*2+1
- 计算index的方法：index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length
HashMap
- 底层数组+链表实现，可以存储null键和null值，线程不安全
- 初始size为16，扩容：newsize = oldsize*2，size一定为2的n次幂
- 扩容针对整个Map，每次扩容时，原来数组中的元素依次重新计算存放位置，并重新插入
- 插入元素后才判断该不该扩容，有可能无效扩容（插入后如果扩容，如果没有再次插入，就会产生无效扩容）
- 当Map中元素总数超过Entry数组的75%，触发扩容操作，为了减少链表长度，元素分配更均匀
- 计算index方法：index = hash & (tab.length – 1)
当我们往hashmap中put元素的时候，先根据key的hash值得到这个元素在数组中的位置（即下标），然后就可以把这个元素放到对应的位置中了。如果这个元素所在的位子上已经存放有其他元素了，那么在同一个位子上的元素将以链表的形式存放，新加入的放在链头，最先加入的放在链尾。从hashmap中get元素时，首先计算key的hashcode，找到数组中对应位置的某一元素，然后通过key的equals方法在对应位置的链表中找到需要的元素。
HashMap在jdk1.8之后引入了红黑树的概念，表示若桶中链表元素超过8时，会自动转化成红黑树；若桶中元素小于等于6时，树结构还原成链表形式。
原因：
红黑树的平均查找长度是log(n)，长度为8，查找长度为log(8)=3，链表的平均查找长度为n/2，当长度为8时，平均查找长度为8/2=4，这才有转换成树的必要；链表长度如果是小于等于6，6/2=3，虽然速度也很快的，但是转化为树结构和生成树的时间并不会太短。
还有选择6和8的原因是：
中间有个差值7可以防止链表和树之间频繁的转换。假设一下，如果设计成链表个数超过8则链表转换成树结构，链表个数小于8则树结构转换成链表，如果一个HashMap不停的插入、删除元素，链表个数在8左右徘徊，就会频繁的发生树转链表、链表转树，效率会很低。
https://blog.csdn.net/fst438060684/article/details/89716554
HashMap的初始值还要考虑加载因子:
- 哈希冲突：若干Key的哈希值按数组大小取模后，如果落在同一个数组下标上，将组成一条Entry链，对Key的查找需要遍历Entry链上的每个元素执行equals()比较。
- 加载因子：为了降低哈希冲突的概率，默认当HashMap中的键值对达到数组大小的75%时，即会触发扩容。因此，如果预估容量是100，即需要设定100/0.75＝134的数组大小。
- 空间换时间：如果希望加快Key查找的时间，还可以进一步降低加载因子，加大初始大小，以降低哈希冲突的概率。
HashMap和Hashtable都是用hash算法来决定其元素的存储，因此HashMap和Hashtable的hash表包含如下属性：
- 容量（capacity）：hash表中桶的数量
- 初始化容量（initial capacity）：创建hash表时桶的数量，HashMap允许在构造器中指定初始化容量
- 尺寸（size）：当前hash表中记录的数量
- 负载因子（load factor）：负载因子等于“size/capacity”。负载因子为0，表示空的hash表，0.5表示半满的散列表，依此类推。轻负载的散列表具有冲突少、适宜插入与查询的特点（但是使用Iterator迭代元素时比较慢）
除此之外，hash表里还有一个“负载极限”，“负载极限”是一个0～1的数值，“负载极限”决定了hash表的最大填满程度。当hash表中的负载因子达到指定的“负载极限”时，hash表会自动成倍地增加容量（桶的数量），并将原有的对象重新分配，放入新的桶内，这称为rehashing。
HashMap和Hashtable的构造器允许指定一个负载极限，HashMap和Hashtable默认的“负载极限”为0.75，这表明当该hash表的3/4已经被填满时，hash表会发生rehashing。
“负载极限”的默认值（0.75）是时间和空间成本上的一种折中：
- 较高的“负载极限”可以降低hash表所占用的内存空间，但会增加查询数据的时间开销，而查询是最频繁的操作（HashMap的get()与put()方法都要用到查询）
- 较低的“负载极限”会提高查询数据的性能，但会增加hash表所占用的内存开销
程序猿可以根据实际情况来调整“负载极限”值。
ConcurrentHashMap
- 底层采用分段的数组+链表实现，线程安全
- 通过把整个Map分为N个Segment，可以提供相同的线程安全，但是效率提升N倍，默认提升16倍。(读操作不加锁，由于HashEntry的value变量是 volatile的，也能保证读取到最新的值。)
- Hashtable的synchronized是针对整张Hash表的，即每次锁住整张表让线程独占，ConcurrentHashMap允许多个修改操作并发进行，其关键在于使用了锁分离技术
- 有些方法需要跨段，比如size()和containsValue()，它们可能需要锁定整个表而而不仅仅是某个段，这需要按顺序锁定所有段，操作完毕后，又按顺序释放所有段的锁
- 扩容：段内扩容（段内元素超过该段对应Entry数组长度的75%触发扩容，不会对整个Map进行扩容），插入前检测需不需要扩容，有效避免无效扩容
ConcurrentHashMap允许多个修改操作并发进行，其关键在于使用了锁分离技术。它使用了多个锁来控制对hash表的不同部分进行的修改。ConcurrentHashMap内部使用段(Segment)来表示这些不同的部分，每个段其实就是一个小的Hashtable，它们有自己的锁。只要多个修改操作发生在不同的段上，它们就可以并发进行。
JDK1.7的实现
在JDK1.7版本中，ConcurrentHashMap的数据结构是由一个Segment数组和多个HashEntry组成，如下图所示：
Segment数组的意义就是将一个大的table分割成多个小的table来进行加锁，也就是上面的提到的锁分离技术，而每一个Segment元素存储的是HashEntry数组+链表，这个和HashMap的数据存储结构一样
JDK1.8的实现
JDK1.8的实现已经摒弃了Segment的概念，而是直接用Node数组+链表+红黑树的数据结构来实现，并发控制使用Synchronized和CAS来操作，整个看起来就像是优化过且线程安全的HashMap，虽然在JDK1.8中还能看到Segment的数据结构，但是已经简化了属性，只是为了兼容旧版本。
Hashtable和HashMap都实现了Map接口，但是Hashtable的实现是基于Dictionary抽象类的。Java5提供ConcurrentHashMap，它是HashTable的替代，比HashTable的扩展性更好。
HashMap基于哈希思想，实现对数据的读写。当我们将键值对传递给put()方法时，它调用键对象的hashCode()方法来计算hashcode，然后找到bucket位置来存储值对象。当获取对象时，通过键对象的equals()方法找到正确的键值对，然后返回值对象。HashMap使用链表来解决碰撞问题，当发生碰撞时，对象将会储存在链表的下一个节点中。HashMap在每个链表节点中储存键值对对象。当两个不同的键对象的hashcode相同时，它们会储存在同一个bucket位置的链表中，可通过键对象的equals()方法来找到键值对。如果链表大小超过阈值（TREEIFY_THRESHOLD,8），链表就会被改造为树形结构。
在HashMap中，null可以作为键，这样的键只有一个，但可以有一个或多个键所对应的值为null。当get()方法返回null值时，既可以表示HashMap中没有该key，也可以表示该key所对应的value为null。因此，在HashMap中不能由get()方法来判断HashMap中是否存在某个key，应该用containsKey()方法来判断。而在Hashtable中，无论是key还是value都不能为null。
Hashtable是线程安全的，它的方法是同步的，可以直接用在多线程环境中。而HashMap则不是线程安全的，在多线程环境中，需要手动实现同步机制。
Hashtable与HashMap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。
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。
ConcurrentHashMap提供了与Hashtable和SynchronizedMap不同的锁机制。Hashtable中采用的锁机制是一次锁住整个hash表，从而在同一时刻只能由一个线程对其进行操作；而ConcurrentHashMap中则是一次锁住一个桶。
ConcurrentHashMap默认将hash表分为16个桶，诸如get、put、remove等常用操作只锁住当前需要用到的桶。这样，原来只能一个线程进入，现在却能同时有16个写线程执行，并发性能的提升是显而易见的。
解决HashMap的线程安全问题
有两种方法可以解决HashMap的线程安全问题：
- Java的
Collections库中的synchronizedMap()方法 - 使用
ConcurrentHashMap
注：其实还有第三种方法，使用Hashtable。不过Hashtable是Java 1.1提供的旧有类，从性能上和使用上都不如其他的替代类，因此已经不推荐使用
//Hashtable
Map normalMap = new Hashtable();
//synchronizedMap
synchronizedHashMap = Collections.synchronizedMap(new HashMap());
//ConcurrentHashMap
concurrentHashMap = new ConcurrentHashMap(); ConcurrentHashMap
- 当你程序需要高度的并行化的时候，你应该使用
ConcurrentHashMap - 尽管没有同步整个Map，但是它仍然是线程安全的
- 读操作非常快，而写操作则是通过加锁完成的
- 在对象层次上不存在锁（即不会阻塞线程）
- 锁的粒度设置的非常好，只对哈希表的某一个key加锁
ConcurrentHashMap不会抛出ConcurrentModificationException，即使一个线程在遍历的同时，另一个线程尝试进行修改。ConcurrentHashMap会使用多个锁
SynchronizedHashMap
- 会同步整个对象
- 每一次的读写操作都需要加锁
- 对整个对象加锁会极大降低性能
- 这相当于只允许同一时间内至多一个线程操作整个Map，而其他线程必须等待
- 它有可能造成资源冲突（某些线程等待较长时间）
SynchronizedHashMap会返回Iterator，当遍历时进行修改会抛出异常
Hashtable 和 HashMap
1、不同点
这两个类主要有以下几方面的不同：
Hashtable和HashMap都实现了Map接口，但是Hashtable的实现是基于Dictionary抽象类。
在HashMap中，null可以作为键，这样的键只有一个；可以有一个或多个键所对应的值为null。当get()方法返回null值时，即可以表示HashMap中没有该键，也可以表示该键所对应的值为null。因此，在HashMap中不能由get()方法来判断HashMap中是否存在某个键，而应该用containsKey()方法来判断。而在Hashtable中，无论是key还是value都不能为null。
这两个类最大的不同在于Hashtable是线程安全的，它的方法是同步了的，可以直接用 在多线程环境中。而HashMap则不是线程安全的。在多线程环境中，需要手动实现同步机制。因此，在Collections类中提供了一个方法返回一个 同步版本的HashMap用于多线程的环境：
1 public static Map synchronizedMap(Map m) {
2 return new SynchronizedMap(m);
3 } 该方法返回的是一个SynchronizedMap的实例。SynchronizedMap类是定义在Collections中的一个静态内部类。它实现了Map接口，并对其中的每一个方法实现，通过synchronized关键字进行了同步控制。
2. 潜在的线程安全问题
上面提到Collections为HashMap提供了一个并发版本SynchronizedMap。这个版本中的方法都进行了同步，但是这并不等于这个类就一定是线程安全的。在某些时候会出现一些意想不到的结果。
如下面这段代码：
1 // shm是SynchronizedMap的一个实例
2 if(shm.containsKey('key')){
3 shm.remove(key);
4 }这段代码用于从map中删除一个元素之前判断是否存在这个元素。这里的 containsKey和reomve方法都是同步的，但是整段代码却不是。考虑这么一个使用场景：线程A执行了containsKey方法返回 true，准备执行remove操作；这时另一个线程B开始执行，同样执行了containsKey方法返回true，并接着执行了remove操作；然 后线程A接着执行remove操作时发现此时已经没有这个元素了。要保证这段代码按我们的意愿工作，一个办法就是对这段代码进行同步控制，但是这么做付出 的代价太大。
在进行迭代时这个问题更改明显。Map集合共提供了三种方式来分别返回键、值、键值对的集合：
Set keySet()；
Collection values()；
Set> entrySet()；
在这三个方法的基础上，我们一般通过如下方式访问Map的元素： 1 Iterator keys = map.keySet().iterator();
2
3 while(keys.hasNext()){
4 map.get(keys.next());
5 }在这里，有一个地方需要注意的是：得到的keySet和迭代器都是Map中元素的一个“视图”，而不是“副本”。问题也就出现在这里，当一个线程正在迭代Map中的元素时，另一个线程可能正在修改其中的元素。此时，在迭代元素时就可能会抛出ConcurrentModificationException异常。为了解决这个问题通常有两种方法，一是直接返回元素的副本，而不是视图。这个可以通过
集合类的 toArray()方法实现，但是创建副本的方式效率比之前有所降低，特别是在元素很多的情况下；另一种方法就是在迭代的时候锁住整个集合，这样的话效率就更低了。