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HashMap、HashTable 与 ConcurrentHashMap 深度解析

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1. 核心设计差异与演进背景

1. 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。

2. 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。

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2. 数据结构与扩容机制

1. 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。

2. 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。

3. 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。

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3. 性能对比与适用场景

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）

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4. 关键源码与设计思想

1. 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。

2. 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。

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5. 实战建议与避坑指南

1. 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）。
2. 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。
3. 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。

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6. 总结

• HashMap：单线程之王，非线程安全但效率最高。
• HashTable：历史遗留产物，性能低下，不推荐使用。
• ConcurrentHashMap：高并发场景的首选，兼顾线程安全与性能，设计上采用分段锁和 CAS 实现高效并发。

选择原则：

• 若无需线程安全，首选 HashMap。
• 若需线程安全且高并发，必选 ConcurrentHashMap。
• 避免使用 HashTable，除非维护遗留代码。