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HashMap、HashTable 与 ConcurrentHashMap 的区别

news 来源：原创 2025/6/22 8:01:00

线程安全机制
- HashMap：非线程安全，多线程并发操作可能导致数据不一致（如死循环、数据覆盖）或抛出 ConcurrentModificationException。
- HashTable：通过 synchronized 修饰所有方法实现全局锁，同一时间仅允许一个线程操作，性能极低。
- ConcurrentHashMap：
  - Java 7：分段锁（Segment），默认 16 个段，不同段可并发操作，性能提升约 16 倍。
  - Java 8+：弃用分段锁，改用 CAS（无锁编程）和 synchronized 锁单个链表/红黑树节点，锁粒度更细，并发度更高。
Null 支持
- HashMap：允许一个 null 键和多个 null 值（null 键默认存储在数组首位置）。
- HashTable 与 ConcurrentHashMap：均不允许 null 键或值，插入 null 会抛出 NullPointerException。

HashMap
- 底层结构：数组 + 链表 + 红黑树（Java 8+）。链表长度 ≥8 且数组长度 ≥64 时，链表转为红黑树（查找复杂度从 O(n) 降至 O(log n)）1。
- 扩容规则：默认初始容量 16，负载因子 0.75。扩容时容量翻倍（newSize = oldSize * 2），所有元素重新计算哈希并迁移1。
- 哈希优化：使用扰动函数 hash = key.hashCode() ^ (h >>> 16) 减少哈希冲突。
HashTable
- 底层结构：数组 + 链表（无红黑树优化），初始容量 11，扩容规则为 newSize = oldSize * 2 + 1。
- 哈希计算：直接对 key.hashCode() 取模，未优化冲突。
ConcurrentHashMap
- 底层结构：与 HashMap 类似（Java 8+ 后均为数组+链表+红黑树），但扩容更智能：
  - 分阶段扩容：多线程协作迁移数据，避免长时间阻塞。
  - 扩容期间允许读写：新旧表共存，读操作访问旧表，写操作插入新表。
- 扩容触发：单个链表/红黑树长度超过阈值时触发段内扩容，而非全局扩容。

指标	HashMap	HashTable	ConcurrentHashMap
线程安全	否	是（全局锁）	是（分段锁/CAS）
并发性能	高（单线程）	极低	接近 HashMap（高并发场景）
Null 支持	是	否	否
推荐场景	单线程、快速查询	已淘汰（遗留系统）	高并发读写（缓存、计数器）

HashMap 的哈希冲突处理
- 链表转红黑树：解决长链表查询效率问题，但转换成本较高（需遍历链表生成树节点）。
- 负载因子调优：默认 0.75 是空间与时间的平衡，可通过调整初始容量减少扩容频率。
ConcurrentHashMap 的无锁优化
- CAS 操作：用于插入、替换等轻量级操作，避免锁竞争。
- Node 锁：仅对当前操作的链表头节点或红黑树根节点加锁，其他节点可并发访问。

避免 HashTable：其全局锁设计已过时，推荐使用 ConcurrentHashMap 或 Collections.synchronizedMap()（需手动同步迭代器）。
HashMap 的线程安全替代方案：
- 单线程场景：优先使用 HashMap。
- 多线程读多写少：使用 ConcurrentHashMap。
- 高并发写场景：结合 ConcurrentHashMap 和原子类（如 AtomicInteger）实现计数器。
扩容预判：初始化时预估容量（如 new HashMap<>(expectedSize / 0.75 + 1)）以减少扩容次数。