哈希表和 Java 的前世今生（下）,掌握HashMap看這一篇就夠了！！！

在哈希表和 Java 的前世今生（上）,掌握HashMap看這一篇就夠了！！！ 中，我們講解了哈希表的原理以及JDK7 HashMap的源碼及JDK7中HashMap的注意點。
在哈希表和 Java 的前世今生（中）,掌握HashMap看這一篇就夠了！！！中，我們講解了JDK8 HashMap的源碼，以及其與JDK7 HashMap的區別。

五、簡單來看一下 Hashtable

HashMap 類大致相當於 Hashtable，只是它不同步並且允許空值。

5.1 問題 6：Hashtable 和 HashMap 的不同之處

• Hashtable 的方法是同步的
  

• 父類是 Dictionary

• 主數組長度不要求是 2 的冪

• 默認長度 11

• Key 和 value 都不能是 null

• 計算哈希值就是直接調用 hashCode()

• 計算存儲位置就是使用%取模
  

• 每次擴容爲原來容量的 2 倍再+1
  

• 使用 Enumeration 進行迭代，而不是使用 Iterator（JDK1.2 纔有）。

5.2 問題 7：爲什麼 Hashtable 主數組默認長度是 11，爲何擴容 2 倍還要+1

按照哈希表的經典理論：哈希表主數組的長度應該是一個素數，這樣會產生最分散的餘數，儘可能減少哈希衝突。11 就是素數。擴容 2 倍肯定不是素數，+1 可能變成素數。

5.3 問題 8：Hashtable 的缺點

Hashtable 的方法使用的 synchronized 同步方法鎖，非靜態方法的鎖是 this（當前的 Hashtable 對象，即整個哈希表）。一個線程上鎖，就會鎖住所有的訪問同步方法的線程，並且是擋在了方法之外，效率太低。
HashMap 是非線程同步的，可以藉助 Collections. synchronziedMap()保證線程安全，底層使用 synchronized 同步代碼塊，同步監視器也是當前的對象 this，也是鎖住了整個哈希表，但是是將其他線程鎖在了方法之內，同步代碼之外，實際性能比 Hashtable 有提高，但是提高有限。

在大量高併發情況下如何提高集合的效率和安全呢？能否降低鎖的粒度，鎖住哈希表的一部分而不是全部呢？
可以的！！！

• JDK7 ConcurrentHashMap 鎖住主數組的一部分（幾個桶）
• JDK8 ConcurrentHashMap 鎖住主數組的一部分（一個桶）

red：鎖住整個表（所有桶）； blue：鎖住幾個桶 green：鎖住一個桶

六、JDK7 ConcurrentHashMap

6.1 問題 9：JDK7 ConcurrentHashMap 關鍵技能點

• 使用分段鎖 Segment。由 Hashtable 的鎖住整個表，HashMap 的不鎖，到鎖住表的一部分。線程同步使用的是 Lock 鎖。
• 結構圖：
  
• ConcurrentHashMap 是由 Segment 數組和 HashEntry 數組結構組成。
• Segment 是一種可重入鎖 ReentrantLock，在 ConcurrentHashMap 裏扮演鎖的角色，HashEntry 則用於存儲鍵值對數據。
• 一個 ConcurrentHashMap 裏包含一個 Segment 數組，Segment 的結構和 HashMap 類似，是一種數組和鏈表結構。一個 Segment 裏包含一個 HashEntry 數組，每個 HashEntry 是一個鏈表結構的元素。每個Segment 守護着一個 HashEntry 數組裏的元素,當對 HashEntry 數組的數據進行修改時，必須首先獲得它對應的 Segment 鎖。

6.2 問題 10：JDK7 ConcurrentHashMap 通過無參構造方法創建對象的結果

• initialCapacity：初始容量，這個值指的是整個 ConcurrentHashMap 的初始容量，實際操作的時候需要平均分給每個 Segment
• loadFactor：加載因子。Segment 數組不擴容，所以是針對每個 Segment內部的加載因子。
• concurrencyLevel：併發級別，segment 數組容量，默認 16。要求是 2的冪。
• SEGMENT_TABLE_CAPACITY：每個 Segment 的內部數組的容量，最小是 2。可以擴容，必須是 2 的冪。每次擴容 100%。（int newCapacity =oldCapacity << 1;）
• 採用無參數構造方法創建對象後的內存結構如圖所示（不包含藍色部分）。Segment 數組長度 16，只給 segments[0]分配空間。發現每個 Segment其實就是一個HashMap，其中的數組 table 的容量是 2。
  

認識 Segment 和 HashEntry：

• Segment 其實就是之前的一個 HashMap，本身繼承了 ReentrantLock，可以直接複用加鎖、解鎖等操作
• HashEntry 就是 HashMap 中的 Entry，是鏈表的節點類型，存儲具體的鍵值對信息。
• 注意：Segment 的 table、HashEntry 的 value、next 都使用 volatile修飾，其修改在各個線程之間具有可見性。
  

6.3 JDK7 ConcurrentHashMap 源碼閱讀

• put 操作：

1. 計算 key 所在的 Segments 數組的索引 j。如果 segments[j]==null，需要先分配空間。
   

2. 計算 key 所在的 HashEntry 數組的索引，並完成添加操作(使用 Lock 鎖保證併發安全)
   

3. 注 意 1 ： 新 的 節 點 會 添 加 到 鏈 表 的 頭 部 （ JDK7 的 HashMap 和ConcurrentHashMap 都是添加到頭部）。

4. 注意 2：添加了新節點再判斷是否擴容（JDK7 的 HashMap 是先判斷是否擴容，再添加）。

• get 操作：

1. 計算 key 所在的 Segments 數組的索引 j。如果是 null，直接返回 null，不存在。
2. 計算 key 所在的 HashEntry 數組的索引。找到了返回 HashEntry 的value，找不到，返回 null。
3. 查詢不加鎖，但是支持併發查詢。需要使用 UNSAFE 的方法
   

• size()操作：

1. 有些方法需要跨段，比如 size()和 containsValue()。需要鎖定整個表而而不僅僅是某個段，這需要按順序鎖定所有段，操作完畢後，又按順序釋放所有段的鎖。
2. 這裏“按順序”是很重要的，否則極有可能出現死鎖
   

6.4 問題 11：Unsafe 類是怎麼回事

• Unsafe 類是在 sun.misc 包下，不屬於 Java 標準。但是很多 Java 的基礎類庫，包括一些被廣泛使用的高性能開發庫都是基於 Unsafe 類開發的，比如Netty、Hadoop、Kafka 等。
• 使用 Unsafe 可用來直接訪問系統內存資源並進行自主管理，大部分 API 都是 native 的方法。Unsafe 類在提升 Java 運行效率，增強 Java 語言底層操作能力方面起了很大的作用。
• Unsafe 可認爲是 Java 中留下的後門，提供了一些低層次操作，如直接內存訪問、線程調度等。官方並不建議使用 Unsafe。

6.5 問題 12：JDK7 ConcurrentHashMap 的缺點是什麼

• 結構複雜了：由一個 Segment 數組和多個 HashEntry 組成的兩級結構組成
• 查詢效率低了：需要先查詢到 Segment 的索引，再查詢到 HashEntry 的索引。統計 size()需要遍歷整個 Segment 數組。
• 鎖的粒度也不算小：concurrentLevel（併發數）基本上是固定的，其實還是鎖住了一個哈希表，哪怕是一個小的 HashMap。能否只鎖住 HashMap 的一個桶呢？concurrentLevel 就可以和數組大小保持一致了。