HashMap、HashTable和ConcurrentHashMap

悲观者从机会中看到困难。乐观者从困难中看到机会。
——温斯顿·丘吉尔

HashMap

• 实现: 基于哈希表的数据结构，使用链地址法解决哈希冲突。从 Java 8 开始，当链表长度超过一定阈值时，链表会转换成红黑树，以提高查询性能。

• 线程安全: HashMap 是非线程安全的。在多线程环境下，如果多个线程同时对 HashMap 进行操作，可能会导致数据不一致或死循环等问题。

• 性能: 由于 HashMap 没有同步机制，它在单线程环境中性能非常高。插入、删除和查找操作的平均时间复杂度为 O(1)。

• 允许 null 键和值: HashMap 允许一个 null 键和多个 null 值。

  HashMap 的初始化

  HashMap 的初始化主要有以下两种方式：

  • 默认构造函数：使用默认容量（16）和负载因子（0.75）。
  • 指定初始容量和负载因子：用户可以指定初始容量和负载因子

  初始化流程:

• 默认情况下，HashMap 的容量（initialCapacity）为 16，负载因子（loadFactor）为 0.75。这意味着当 HashMap 中的元素数量达到容量的 75% 时，便会触发扩容。

• 构造函数只会设置容量和负载因子，并不会真正分配数组空间。真正分配数组是在第一次调用 put() 方法时发生的。

  put 流程

  put 方法是 HashMap 用来插入键值对的核心方法。put 的流程如下：

  1. 计算哈希值: 调用 hash(key) 方法计算 key 的哈希值，并通过 indexFor(hash, length) 方法计算出该键值对应在数组中的索引。
  2. 判断是否需要初始化数组: 如果数组 table 为空，进行第一次初始化，分配数组空间。
  3. 检查冲突: 根据计算出的索引位置，检查数组中是否已经存在元素。如果该位置没有元素（即 null），则直接插入。如果存在元素，则遍历链表（或红黑树）查找是否有相同的 key。
  4. 插入新元素: 如果找到了相同的 key，则更新该 key 对应的值；如果没有找到相同的 key，则将新的 Entry（Java 8 之后是 Node）插入到链表的头部或转换为红黑树。
  5. 检查是否需要扩容: 插入后，检查当前 HashMap 的元素个数是否超过了扩容阈值（即容量 * 负载因子）。如果超过，则进行扩容。

  get 流程

  get 方法用于根据 key 获取对应的 value。其流程如下：

  1. 计算哈希值: 和 put 类似，首先计算 key 的哈希值，并通过 indexFor(hash, length) 方法计算出该键值对应在数组中的索引。
  2. 查找元素: 根据计算出的索引位置，找到对应的链表（或红黑树），遍历链表或树查找与 key 相同的元素。
  3. 返回结果: 如果找到了对应的 key，则返回对应的 value；如果没找到，则返回 null。

Hashtable

• 实现: 与 HashMap 类似，也是基于哈希表实现的，但它的所有方法都是同步的，使用了 synchronized 关键字来保证线程安全。
• 线程安全: Hashtable 是线程安全的，多个线程可以安全地访问同一个 Hashtable 实例而不会导致数据不一致的问题。然而，由于同步的开销，在高并发情况下性能较低。
• 性能: 由于同步机制，Hashtable 的性能要比 HashMap 低，尤其是在高并发环境下。
• 不允许 null 键和值: Hashtable 不允许 null 键或 null 值，试图插入 null 键或值会抛出 NullPointerException。

ConcurrentHashMap

• 实现: 基于分段锁（Segmented Lock）或（从 Java 8 开始）CAS（Compare-And-Swap）机制的哈希表，设计上更适合高并发场景。在 Java 8 之前，ConcurrentHashMap 将整个哈希表分为多个段（Segment），每个段相当于一个小的哈希表，使用锁机制保证每个段的线程安全，多个线程可以并发访问不同的段。在 Java 8 及之后，ConcurrentHashMap 使用了更为细粒度的锁机制和无锁（CAS）操作，使其性能进一步提升。
• 线程安全: ConcurrentHashMap 是线程安全的，并且在高并发环境中表现出色。它在读取操作时不需要锁，因此读取速度非常快。写操作使用了细粒度的锁或无锁机制，减少了锁争用，提高了并发性能。
• 性能: 在高并发场景中，ConcurrentHashMap 的性能要远高于 Hashtable 和同步包装的 HashMap（如 Collections.synchronizedMap(new HashMap<>()）。
• 不允许 null 键和值: 与 Hashtable 类似，ConcurrentHashMap 也不允许 null 键或值。