Hashtable数据存储结构-遍历规则,Hash类型的复杂度为啥都是O(1)-源码分析

Hashtable 是一个很常见的数据结构类型,前段时间阿里的面试官说只要搞懂了HashTable,hashMap,HashSet,treeMap,treeSet这几个数据结构,阿里的数据结构面试没问题。

一查才发现,这里面的知识确实不少,都很经典,因此做一个专题

通过此文章,可以了解到一下内容(我去美团,京东,阿里基本每次都问这几个问题)

(1) Hashtable的存储结构 (数组+链表)

(2)Hashtable的扩容原理,扩容因子0.75,bucket的初始大小11.(扩容的函数为2N+1,hashMap的扩容函数是2N,之所以是2的倍数,是因为,Hashtable为了保证速度,扩容直接位移<<1这样就是2的倍数)

(3)添加,查找操作的深层次原理,

(4)搜素的几种方法,以及为什么会产生这几种搜索方法。

 首先总览一下:

Hashtable与Map关系如下图:

《Hashtable数据存储结构-遍历规则,Hash类型的复杂度为啥都是O(1)-源码分析》

从图中可以看出: 
(1) Hashtable继承于Dictionary类,实现了Map接口。Map是”key-value键值对”接口,Dictionary是声明了操作”键值对”函数接口的抽象类。 
(2) Hashtable是通过”拉链法”实现的哈希表。它包括几个重要的成员变量:table, count, threshold, loadFactor, modCount。
table是一个Entry[]数组类型,而Entry实际上就是一个单向链表。哈希表的”key-value键值对”都是存储在Entry数组中的。 
count是Hashtable的大小,它是Hashtable保存的键值对的数量。 
threshold是Hashtable的阈值,用于判断是否需要调整Hashtable的容量。threshold的值=”容量*加载因子”。
loadFactor就是加载因子。 
modCount是用来实现fail-fast机制的 

 

HashMap一样,Hashtable 也是一个散列表,它存储的内容是键值对(key-value)映射, 都是数组+链表的形式存储数据:

《Hashtable数据存储结构-遍历规则,Hash类型的复杂度为啥都是O(1)-源码分析》

定义如下:

public class Hashtable<K,V>
    extends Dictionary<K,V>
    implements Map<K,V>, Cloneable, java.io.Serializable {
....

public Hashtable() {
this(11, 0.75f);
} 

}

由此能看出两点:

(1)、Hashtable默认 bucket 容量是 11 ,扩容因子是0.75.

也就是说 如果 现在我们创建一个Hashtable,如果里面有8个数值 ,因为:8>=11*0.75;那么,在添加到第8个数值的时候,Hashtable会扩容,

Hashtable 的实例有两个参数影响其性能:初始容量 和 加载因子。容量 是哈希表中桶 的数量,初始容量 就是哈希表创建时的容量。注意,哈希表的状态为 open:在发生“哈希冲突”的情况下,单个桶会存储多个条目,这些条目必须按顺序搜索。加载因子 是对哈希表在其容量自动增加之前可以达到多满的一个尺度。初始容量和加载因子这两个参数只是对该实现的提示。关于何时以及是否调用 rehash 方法的具体细节则依赖于该实现。通常,默认加载因子是 0.75, 这是在时间和空间成本上寻求一种折衷。加载因子过高虽然减少了空间开销,但同时也增加了查找某个条目的时间(在大多数 Hashtable 操作中,包括 get 和 put 操作,都反映了这一点)。

这是Hashtable的构造函数:默认初始容量是11,而加载因子是0.75;   

 protected void rehash() {
        int oldCapacity = table.length;
        Entry<?,?>[] oldMap = table;

        // overflow-conscious code
        int newCapacity = (oldCapacity << 1) + 1; if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0) {
            if (oldCapacity == MAX_ARRAY_SIZE)
                // Keep running with MAX_ARRAY_SIZE buckets
                return;
            newCapacity = MAX_ARRAY_SIZE;
        }
}

红色的字体表明 Hashtable 扩容的函数是直接左移动1位,并加一,也就是:扩大为原来的2n+1;

(2)、Hashtable 继承于Dictionary,实现了Map、Cloneable、java.io.Serializable接口。 

Hashtable包含的方法 :elements() ,其作用是返回“所有value”的枚举对象  

public synchronized Enumeration<V> elements() {
    return this.<V>getEnumeration(VALUES);
 }

// 获取Hashtable的枚举类对象
private <T> Enumeration<T> getEnumeration(int type) {
if (count == 0) {
return Collections.emptyEnumeration();
} else {
return new Enumerator<>(type, false);
}
}

从中,我们可以看出:

(1) 若Hashtable的实际大小为0,则返回“空枚举类”对象emptyEnumerator;
(2) 否则,返回正常的Enumerator的对象。(Enumerator实现了迭代器和枚举两个接口,请注意这两个接口,这是我们后面介绍搜索方法时,会涉及到的)

我们先看看emptyEnumerator对象是如何实现的  

private static Enumeration emptyEnumerator = new EmptyEnumerator();
// 空枚举类                                                                                         
// 当Hashtable的实际大小为0;此时,又要通过Enumeration遍历Hashtable时,返回的是“空枚举类”的对象。   
private static class EmptyEnumerator implements Enumeration<Object> {                               
                                                                                                    
    EmptyEnumerator() {                                                                             
    }                                                                                               
                                                                                                    
    // 空枚举类的hasMoreElements() 始终返回false                                                    
    public boolean hasMoreElements() {                                                              
        return false;                                                                               
    }                                                                                               
                                                                                                    
    // 空枚举类的nextElement() 抛出异常                                                             
    public Object nextElement() {                                                                   
        throw new NoSuchElementException("Hashtable Enumerator");                                   
    }                                                                                               
}                                                                                                   

我们在来看看Enumeration类,Enumerator的作用是提供了“通过elements()遍历Hashtable的接口” 和 “通过entrySet()遍历Hashtable的接口”。因为,它同时实现了 “Enumerator接口”和“Iterator接口”。 

 private class Enumerator<T> implements Enumeration<T>, Iterator<T> {
        Entry<?,?>[] table = Hashtable.this.table;
        int index = table.length;
        Entry<?,?> entry;
        Entry<?,?> lastReturned;
        int type;

....
}

 

3、以下为Hashtable 包含的函数,函数都是同步的,每个前面都有synchronized,这意味着它是线程安全的。

  public synchronized V put(K key, V value) {
        // Make sure the value is not null
        if (value == null) {
            throw new NullPointerException();
        }

        // Makes sure the key is not already in the hashtable.
        Entry<?,?> tab[] = table;
        int hash = key.hashCode();
        int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
....
}

 由此我们也能看出:Hashtable的key、value都不可以为null。

看源码:如果value为空 抛出异常,如果 key为空 key.hashCode会抛出异常

我们都知道:Hashtable 的key 和value 都不能为空,HashMap的key 和value 都可以为空,就是这个原因。

此外,Hashtable中的映射不是有序的。  

4、 Hashmap一样,Hashtable也是一个散列表,它也是通过“拉链法”解决哈希冲突的。

Hashtable的“拉链法”相关内容

Hashtable数据存储数组,是由一个Entry数组组成的,而 Entry 本身是多个key,value的链表,其中链表中的每个值都有个next指针,指向本链表的下一个元素。

private transient Entry[] table;

 

Hashtable中的key-value都是存储在table数组中的。 如下所示,数据节点Entry的数据结构 

private static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {   
  // 哈希值                                                                                       
     int hash;                                                                                       
     K key;                                                                                          
     V value;                                                                                        
     // 指向的下一个Entry,即链表的下一个节点                                                        
     Entry<K,V> next;                                                                                
                                                                                                     
     // 构造函数                                                                                     
     protected Entry(int hash, K key, V value, Entry<K,V> next) {                                    
         this.hash = hash;                                                                           
         this.key = key;                                                                             
         this.value = value;                                                                         
         this.next = next;                                                                           
     }                                                                                               
                                                                                                     
     protected Object clone() {                                                                      
         return new Entry<K,V>(hash, key, value,                                                     
               (next==null ? null : (Entry<K,V>) next.clone()));                                     
     }                                                                                               
                                                                                                     
     public K getKey() {                                                                             
         return key;                                                                                 
     }                                                                                               
                                                                                                     
     public V getValue() {                                                                           
         return value;                                                                               
     }                                                                                               
                                                                                                     
     // 设置value。若value是null,则抛出异常。                                                       
     public V setValue(V value) {                                                                    
         if (value == null)                                                                          
             throw new NullPointerException();                                                       
                                                                                                     
         V oldValue = this.value;                                                                    
         this.value = value;                                                                         
         return oldValue;                                                                            
     }                                                                                               
                                                                                                     
     // 覆盖equals()方法,判断两个Entry是否相等。                                                    
     // 若两个Entry的key和value都相等,则认为它们相等。                                              
     public boolean equals(Object o) {                                                               
         if (!(o instanceof Map.Entry))                                                              
             return false;                                                                           
         Map.Entry e = (Map.Entry)o;                                                                 
                                                                                                     
         return (key==null ? e.getKey()==null : key.equals(e.getKey())) &&                           
            (value==null ? e.getValue()==null : value.equals(e.getValue()));                         
     }                                                                                               
                                                                                                     
     public int hashCode() {                                                                         
         return hash ^ (value==null ? 0 : value.hashCode());                                         
     }                                                                                               
                                                                                                     
     public String toString() {                                                                      
         return key.toString()+"="+value.toString();                                                 
     }                                                                                               
 }                                                                                                   

 

从中,我们可以看出 Entry 实际上就是一个单向链表。这也是为什么我们说Hashtable是通过拉链法解决哈希冲突的。

Entry 实现了Map.Entry 接口,即实现getKey(), getValue(), setValue(V value), equals(Object o), hashCode()这些函数。这些都是基本的读取/修改key、value值的函数。  

 拿put()方法举例: put() 的作用是对外提供接口,让Hashtable对象可以通过put()将“key-value”添加到Hashtable中。  

流程大体是先判断 hash值,然后判断equals值

PUT流程图:
《Hashtable数据存储结构-遍历规则,Hash类型的复杂度为啥都是O(1)-源码分析》

如果对hashcode和equals 方法的区别不了解可以参考:Java == ,equals 和 hashcode 的区别和联系(阿里面试)

put 方法的整个流程为:

  1. 判断 value 是否为空,为空则抛出异常;
  2. 计算 key 的 hash 值,并根据 hash 值获得 key 在 table 数组中的位置 index,如果 table[index] 元素不为空,则进行迭代,如果遇到相同的 key,则直接替换,并返回旧 value;
  3. 否则,我们可以将其插入到 table[index] 位置。

 

public synchronized V put(K key, V value) {   
 // Hashtable中不能插入value为null的元素!!!                                                                                             
    if (value == null) { throw new NullPointerException(); } // 若“Hashtable中已存在键为key的键值对”, // 则用“新的value”替换“旧的value” Entry tab[] = table; int hash = key.hashCode(); int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length; for (Entry<K,V> e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) { if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) { V old = e.value; e.value = value; return old; } } // 若“Hashtable中不存在键为key的键值对”, // (01) 将“修改统计数”+1 modCount++; // (02) 若“Hashtable实际容量” > “阈值”(阈值=总的容量 * 加载因子) // 则调整Hashtable的大小 if (count >= threshold) { // Rehash the table if the threshold is exceeded  rehash(); tab = table; index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length; } // (03) 将“Hashtable中index”位置的Entry(链表)保存到e中 Entry<K,V> e = tab[index]; // (04) 创建“新的Entry节点”,并将“新的Entry”插入“Hashtable的index位置”,并设置e为“新的Entry”的下一个元素(即“新Entry”为链表表头)。 tab[index] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e); // (05) 将“Hashtable的实际容量”+1 count++; return null; } 

 

通过一个实际的例子来演示一下这个过程:

假设我们现在Hashtable的容量为5,已经存在了(5,5),(13,13),(16,16),(17,17),(21,21)这 5 个键值对,目前他们在Hashtable中的位置如下:

《Hashtable数据存储结构-遍历规则,Hash类型的复杂度为啥都是O(1)-源码分析》

现在,我们插入一个新的键值对,put(16,22),假设key=16的索引为1.但现在索引1的位置有两个Entry了,所以程序会对链表进行迭代。迭代的过程中,发现其中有一个Entry的key和我们要插入的键值对的key相同,所以现在会做的工作就是将newValue=22替换oldValue=16,然后返回oldValue=16.

《Hashtable数据存储结构-遍历规则,Hash类型的复杂度为啥都是O(1)-源码分析》

然后我们现在再插入一个,put(33,33),key=33的索引为3,并且在链表中也不存在key=33的Entry,所以将该节点插入链表的第一个位置。

《Hashtable数据存储结构-遍历规则,Hash类型的复杂度为啥都是O(1)-源码分析》

 

 

 再看一下Get()方法,我们知道Hashtable的时间复杂度是O(1),但你知道它是如何通过散列码的方式做到O(1)的吗?

Hashtable 直接用hash取了hashtable模,用模做了index,然后定位到bucket桶的数组位置,这个位置上面可能有一个hashcode相同的entry链表;然后对这链表进行遍历,找到key等于指定值的entry,因此 时间复杂度为O(1),HashMap,HashTable,HashSet 只要是以Hash为基础的数据结构都是O(1)

参考:HashMap, HashTable,HashSet,TreeMap 的时间复杂度

get() 的作用就是获取key对应的value,没有的话返回null 

   public synchronized V get(Object key) {
        Entry<?,?> tab[] = table; int hash = key.hashCode(); int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length; for (Entry<?,?> e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) { if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) { return (V)e.value; } } return null; }

  

相比较于 put 方法,get 方法则简单很多。其过程就是首先通过 hash()方法求得 key 的哈希值,然后根据 hash 值得到 index 索引(上述两步所用的算法与 put 方法都相同)。然后迭代链表,返回匹配的 key 的对应的 value;找不到则返回 null。 

 

5、刚才提到 Hashtable 继承了 继承了字典类型:Dictionary类型。而字典类型依赖于: Enumerator 

Enumerator实现了方法:Enumeration<T>, Iterator<T>

 

private class Enumerator<T> implements Enumeration<T>, Iterator<T> {
        Entry<?,?>[] table = Hashtable.this.table;
        int index = table.length;
        Entry<?,?> entry;
        Entry<?,?> lastReturned;
        int type;

        /**
         * Indicates whether this Enumerator is serving as an Iterator
         * or an Enumeration.  (true -> Iterator).
         */
        boolean iterator;

 

因此:搜索有五种方法进行搜素:

(1) 利用Iterator迭代器,遍历Hashtable的键值对

第一步:根据entrySet()获取Hashtable的“键值对”的Set集合。
第二步:通过Iterator迭代器遍历“第一步”得到的集合。   

    Iterator iter=table.entrySet().iterator();
        
        while(iter.hasNext()){
            Entry entry =(Entry) iter.next();
            //获取key
            String key=(String)entry.getKey();
            
            Object value=entry.getValue();
            
            System.out.println("key="+key+"  value="+value);
        }
        

 

(2) 通过Iterator遍历Hashtable的键

第一步:根据keySet()获取Hashtable的“键”的Set集合。
第二步:通过Iterator迭代器遍历“第一步”得到的集合。 

// 假设table是Hashtable对象
// table中的key是String类型,value是Integer类型
String key = null;
Integer integ = null;
Iterator iter = table.keySet().iterator();
while (iter.hasNext()) {
        // 获取key
    key = (String)iter.next();
        // 根据key,获取value
    integ = (Integer)table.get(key);
}

 

(3)、通过Iterator遍历Hashtable的值

第一步:根据value()获取Hashtable的“值”的集合。
第二步:通过Iterator迭代器遍历“第一步”得到的集合。 

// 假设table是Hashtable对象
// table中的key是String类型,value是Integer类型
Integer value = null;
Collection c = table.values();
Iterator iter= c.iterator();
while (iter.hasNext()) {
    value = (Integer)iter.next();
}

 

(4)、 通过Enumeration遍历Hashtable的键

第一步:根据keys()获取Hashtable的集合。
第二步:通过Enumeration遍历“第一步”得到的集合。

Enumeration enu = table.keys();
while(enu.hasMoreElements()) {
    System.out.println(enu.nextElement());
}

 

(5)、 通过Enumeration遍历Hashtable的值

第一步:根据elements()获取Hashtable的集合。
第二步:通过Enumeration遍历“第一步”得到的集合。

Enumeration enu = table.elements();
while(enu.hasMoreElements()) {
    System.out.println(enu.nextElement());
}

遍历测试程序如下: 

import java.util.Collection;
import java.util.Enumeration;
import java.util.Hashtable;
import java.util.Iterator;
import java.util.Map.Entry;

public class hashtabletest {

    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub
        
        Hashtable table =new Hashtable();
        
        table.put("张三",20);
        table.put("李四",30);
        table.put("王五", 50);
         
        
//        4.1 遍历Hashtable的键值对
//
//        第一步:根据entrySet()获取Hashtable的“键值对”的Set集合。
//        第二步:通过Iterator迭代器遍历“第一步”得到的集合。
        Iterator iter=table.entrySet().iterator();
        
        while(iter.hasNext()){
            Entry entry =(Entry) iter.next();
            //获取key
            String key=(String)entry.getKey();
            
            Object value=entry.getValue();
            
            System.out.println("key="+key+"  value="+value);
        }
        
//        //4.2 通过Iterator遍历Hashtable的键

//第一步:根据keySet()获取Hashtable的“键”的Set集合。
//第二步:通过Iterator迭代器遍历“第一步”得到的集合。
        
        Iterator itkey=table.keySet().iterator();
        while(itkey.hasNext()){
            
      String key=(String)        itkey.next();
      Object value=table.get(key);
      
      System.out.println("key=="+key+"  value="+value);
        }
        
        
//        4.3 通过Iterator遍历Hashtable的值
//
//        第一步:根据value()获取Hashtable的“值”的集合。
//        第二步:通过Iterator迭代器遍历“第一步”得到的集合。
        
    Collection c=      table.values();
    Iterator itvalue=c.iterator();
    while(itvalue.hasNext()){
        
        Object value =itvalue.next();        
        
        System.out.println(" value="+value);
    }
    
//    4.4 通过Enumeration遍历Hashtable的键
//
//    第一步:根据keys()获取Hashtable的集合。
//    第二步:通过Enumeration遍历“第一步”得到的集合。
    
    Enumeration enu=table.keys();
    while(enu.hasMoreElements()){
        
        System.out.println("elements="+enu.nextElement());
    }
    
//    4.5 通过Enumeration遍历Hashtable的值
//    第一步:根据elements()获取Hashtable的集合。
//    第二步:通过Enumeration遍历“第一步”得到的集合。
    
    Enumeration entry=table.elements();
    while(entry.hasMoreElements()){
        
        System.out.println(" element111s ="+entry.nextElement());
    }
        
        

    }

}

 

结果为:

key=王五  value=50
key=张三  value=20
key=李四  value=30
key==王五  value=50
key==张三  value=20
key==李四  value=30
 value=50
 value=20
 value=30
elements=王五
elements=张三
elements=李四
 element111s =50
 element111s =20
 element111s =30

 

  

  6、其他的函数 

 

(1) contains() 和 containsValue()

contains() 和 containsValue() 的作用都是判断Hashtable是否包含“值(value)”

public boolean containsValue(Object value) {
    return contains(value);
  }

 

remove()   remove() 的作用就是删除Hashtable中键为key的元素  

 Hashtable实现的Cloneable接口  Hashtable实现了Cloneable接口,即实现了clone()方法。

clone()方法的作用很简单,就是克隆一个Hashtable对象并返回。  

 Hashtable实现的Serializable接口,分别实现了串行读取、写入功能。

串行写入函数就是将Hashtable的“总的容量,实际容量,所有的Entry”都写入到输出流中
串行读取函数:根据写入方式读出将Hashtable的“总的容量,实际容量,所有的Entry”依次读出  

 

参考:深入Java集合学习系列:Hashtable的实现原理
参考
HashTable的实现原理分析

    原文作者:aspirant
    原文地址: https://www.cnblogs.com/aspirant/p/8906018.html
    本文转自网络文章,转载此文章仅为分享知识,如有侵权,请联系博主进行删除。
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