java集合HashMap、HashTable、HashSet详解

一、Set和Map关系

Set代表集合元素无序，集合元素不可重复的集合，Map代表一种由多个key-value组成的集合，map集合是set集合的扩展只是名称不同，对应如下

二、HashMap的工作原理

        HashMap基于 hashing原理，通过put()和get()方法储存和获取对象。

        put()方法: 它调用键对象的hashCode()方法来计算hashcode值，系统根据hashcode值决定该元素在bucket位置。如果两个对象key的hashcode返回值相同，那他们的存储位置相同，如果这两个Entry的key通过equals比较返回true，新添加Entry的value将覆盖集合中原有Entry的value，但key不会覆盖；如果这两个Entry的key通过equals比较返回false，新添加的Entry将与集合中原有Entry形成Entry链，而且新添加Entry位于Entry链的头部。put源码如下: 

public V put(K paramK, V paramV) {
        //如果key为空，调用putForNullKey方法
        if (paramK == null)
            return putForNullKey(paramV);
        //根据key的keyCode计算Hash值
        int i = hash(paramK.hashCode());
        //搜索指定hash值的对应在table中的索引
        int j = indexFor(i, this.table.length);
        //如果j索引处的Entry不为空，通过循环遍历localEntry元素的下一个元素
        for (Entry localEntry = this.table[j]; localEntry != null; localEntry = localEntry.next) {
            Object localObject1;
            //找到指定key与放入key相等(hash值相同，通过equals比较返回true)
            if ((localEntry.hash == i)
                    && ((((localObject1 = localEntry.key) == paramK) || (paramK
                            .equals(localObject1))))) {
                Object localObject2 = localEntry.value;
                localEntry.value = paramV;
                localEntry.recordAccess(this);
                return localObject2;
            }
        }
        //如果j索引Entry为null，此处没有Entry
        this.modCount += 1;
        //将key、value添加到i索引处
        addEntry(i, paramK, paramV, j);
        return null;
    }

    void addEntry(int paramInt1, K paramK, V paramV, int paramInt2) {
        //获取指定bucketIndex索引处Entry
        Entry localEntry = this.table[paramInt2];
        //将新创建的Entry放入bucketIndex索引处，并让新的Entry指向原来的Entry
        this.table[paramInt2] = new Entry(paramInt1, paramK, paramV, localEntry);
        //如果map中的key-value数量超过
        if (this.size++ >= this.threshold)
        //table对象的长度扩充到2倍
            resize(2 * this.table.length);
    }

put方法三种情况，如图:

 

get()方法:当HashMap的每个bucket里存储的Entry只是单个Entry，即没有通过指针产生Entry链时，此时HashMap具有最好的性能。当程序通过key取出对应value时，系统先计算出该key的hashCode()返回值，再根据该hashCode返回值找出该key在table数组中的索引，然后取出该索引处的Entry，最后返回该key对应的value值。get源码如下:

public V get(Object paramObject) {
       //如果key为空，调用getForNullKey取出对应的value
        if (paramObject == null)
            return getForNullKey();
        //根据key的hashCode值计算hash码
        int i = hash(paramObject.hashCode());
        //直接取出table数组中指定索引处的值
        Entry localEntry = this.table[indexFor(i, this.table.length)];
        while (localEntry != null) {
            Object localObject;
            //如果该Entry的key与被搜索key相同
            if ((localEntry.hash == i)
                    && ((((localObject = localEntry.key) == paramObject) || (paramObject
                            .equals(localObject)))))
                return localEntry.value;
            //搜索该Entry链的下一个
            localEntry = localEntry.next;
        }

        return null;
    }
 从代码看出，HashMap的每个bucket里只有一个Entry，HashMap可以根据索引快速取出该bucket里的Entry。
 在发生Hash冲突的情况下，单个bucket里存储的不是一个Entry，而是一个Entry链，系统只能按顺序遍历每个Entry，直到找到想搜索的Entry。

HashMap有两个参数影响其性能：

1. 初始容量和加载因子。默认初始容量是16，加载因子是0.75。容量是哈希表中桶(Entry数组)的数量，初始容量只是哈希表在创建时的容量。加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。当哈希表中的条目数超出了加载因子与当前容量的乘积时，通过调用rehash 方法将容量翻倍。

2. 加载因子过高虽然减少了空间开销，但同时也增加了查询成本（加载因子是表示Hsah表中元素的填满的程度.若:加载因子越大,填满的元素越多,好处是,空间利用率高了,但:冲突的机会加大了.反之,加载因子越小,填满的元素越少,好处是:冲突的机会减小了,但:空间浪费多了）。在设置初始容量时应该考虑到映射中所需的条目数及其加载因子，以便最大限度地降低rehash 操作次数。如果初始容量大于最大条目数除以加载因子(实际上就是最大条目数小于初始容量*加载因子)，则不会发生 rehash 操作。

3.HashMap存放的元素越来越多，到达临界值(阀值)threshold时，就要对Entry数组扩容，这是Java集合类框架最大的魅力，HashMap在扩容时，新数组的容量将是原来的2倍，由于容量发生变化，原有的每个元素需要重新计算bucketIndex，再存放到新数组中去，也就是所谓的rehash。HashMap默认初始容量16，加载因子0.75，也就是说最多能放16*0.75=12个元素，当put第13个时，HashMap将发生rehash，rehash的一系列处理比较影响性能，所以当我们需要向HashMap存放较多元素时，最好指定合适的初始容量和加载因子，否则HashMap默认只能存12个元素，将会发生多次rehash操作。

三、HashMap和Hashtable的区别

HashMap和Hashtable都实现了Map接口，主要的区别有：线程安全性，同步(synchronization)，以及速度。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)。

HashMap是非synchronized，而Hashtable是synchronized，意味着Hashtable是线程安全的，多个线程可以共享一个Hashtable；而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。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。 HashMap可以通过下面的语句进行同步：Map m = Collections.synchronizeMap(hashMap);

 

四、HashMap和HashSet的区别

HashSet实现了Set接口，它不允许集合中有重复的值，HashMap实现了Map接口，Map接口对键值对进行映射。

HashSet扩展了HashMap,所以底层还是用到map存储，存储实现同map一致，HashMap储存键值，HashSet存储对象。

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