【Java】HashMap、HashTable和ConcurrentHashMap的区别

HashTable、HashMap和ConcurrentHashMap之间的区别主要体现在线程安全、继承关系与实现接口、对null值的处理、性能以及数据结构等几个方面。以下是对这三者之间区别的详细分析：

区别

一、HashMap

HashMap是Java中的一种基于哈希表实现的数据结构，它实现了Map接口并允许使用null键和null值。

1.1基本定义与特性

基于哈希表： HashMap是基于哈希表实现的，通过哈希函数将键映射到索引位置，实现快速查找。
允许null键和值： 与HashTable不同，HashMap允许使用null作为键和值。
非线程安全： HashMap不是线程安全的，因此在多线程环境下使用时需要注意数据一致性问题。

1.2工作原理与实现

哈希函数： HashMap使用哈希函数将键转换为索引，该函数需要满足确定性、高效性和散列性。
冲突解决： 采用链地址法处理哈希冲突，即多个键哈希到同一个索引时，它们会被链接到一个链表中。
动态扩容： 当元素数量超过当前容量的阈值时，HashMap会进行rehashing，创建一个新的数组，并将原数组中的元素重新哈希到新的数组中。

1.3常用方法

put(K key, V value)： 向HashMap中添加一个键值对。
get(Object key)： 根据键获取对应的值。
remove(Object key)： 删除HashMap中指定的键值对。
size()： 返回HashMap中键值对的数量。
isEmpty()： 判断HashMap是否为空。
keySet()： 返回HashMap中所有键的集合。
values()： 返回HashMap中所有值的集合。
entrySet()： 返回HashMap中所有键值对组成的集合。

1.4性能与优化

时间复杂度： HashMap的查找、插入和删除操作的平均时间复杂度为O(1)，但在哈希冲突严重时，性能会下降。
链接: 【哈希表】为什么哈希表的插入/删除/查找时间复杂度为O（1）

初始容量与加载因子： 合理设置HashMap的初始容量和加载因子可以提高性能。初始容量是HashMap创建时分配的数组大小，加载因子是触发扩容的阈值。
红黑树优化： 在JDK 1.8及以后的版本中，当链表长度超过一定阈值时，HashMap会将链表转换为红黑树以提高查找性能。

总之，HashMap是一种高效且灵活的数据结构，适用于需要快速查找键值对的场景。在使用时需要注意其非线程安全的特性，并在必要时采取适当的同步措施。

二、HashTable

HashTable（哈希表）是一种根据关键码值直接进行访问的数据结构。它通过特定的哈希函数将关键码值映射到表中的一个位置，以加快数据查找的速度。

1. HashTable同样是基于哈希表实现，存储的数据同样为key-value键值对，其内部也是通过单链表解决哈希冲突的，容量不足时，同样会自动扩容；

2. 线程安全，可以用于多线程场景。它的线程安全实现方式是：所有的方法都使用synchronized加锁，像一些读操作不存在线程不安全问题，所以全部方法加锁导致了效率低下。

3. 现在已经被丢了不再使用了。不涉及线程安全问题时使用HashMap，要保证线程安全时，使用ConcurrentHashMap。

三、ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap是Java集合框架中的一个类，它是HashMap的一个线程安全版本，专为高并发场景设计。

3.1基本特点

线程安全： ConcurrentHashMap通过特殊的锁机制和数据结构来确保线程安全，使得多个线程可以并发地读写不同的数据段，而不需要额外的同步措施。

高并发性能： 由于采用了分段锁机制（在Java 8之前）或更精细的锁策略（如CAS和synchronized在Java 8及之后），ConcurrentHashMap能够支持多个线程同时访问不同的数据段，从而提高了并发性能。

支持高效的读操作： 在没有竞争的情况下，读操作几乎没有性能损耗，因为它们可以并行执行。

不允许null键或值： 与HashMap不同，ConcurrentHashMap不允许键或值为null。

3.2实现原理

分段锁机制（Java 7及之前）： ConcurrentHashMap在内部将数据分为多个段（Segment），每个段都有自己的锁。当一个线程访问某个段时，它只会锁定该段，而不会锁定整个ConcurrentHashMap。这使得多个线程可以同时访问不同的段，从而提高了并发性能。

更精细的锁策略（Java 8及之后）： 在Java 8中，ConcurrentHashMap的实现进行了改进，不再使用分段锁，而是采用了CAS操作和synchronized关键字来实现更精细的锁控制，进一步提高了并发性能。

3.3常用方法

ConcurrentHashMap提供了一系列与HashMap相似的方法，如put、get、remove等，这些方法都是线程安全的。
此外，它还提供了一些原子操作，如putIfAbsent、remove、replace等。

3.4适用场景

ConcurrentHashMap适用于需要在线程安全的环境下使用HashMap的场景，特别是需要实现高并发下的数据访问控制的场景。
例如，在多线程环境中记录日志信息时，可以使用ConcurrentHashMap来存储日志数据，以确保数据的一致性和安全性。

3.5性能优化

Java 8对ConcurrentHashMap进行了一些性能优化，包括利用CAS操作替换了之前的Synchronized关键字来减少锁的争用等。这些优化进一步提高了ConcurrentHashMap的并发性能。

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