HashMap、HashSet、HashTable实现原理解析

一、HashMap

1. 核心实现原理

• 数据结构：数组 + 链表/红黑树（JDK8+）
• 初始容量：默认16（DEFAULT_INITIAL_CAPACITY）
• 负载因子：默认0.75f（DEFAULT_LOAD_FACTOR）
• 扩容机制：当size > capacity * loadFactor时扩容为2倍

2. 关键特性

// 典型存储结构
transient Node<K,V>[] table;  // 数组桶

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final int hash;
    final K key;
    V value;
    Node<K,V> next;  // 链表结构
}

3. 工作流程

1. 计算哈希：(key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16)
2. 确定桶位：(n - 1) & hash
3. 处理冲突：
   • 链表：遍历查找，JDK8尾插法
   • 红黑树：当链表长度≥8且数组长度≥64时转换
4. 扩容机制：
   • 创建新数组（2倍原大小）
   • 重新计算位置：e.hash & (newCap - 1)
   • JDK8优化：节点位置=原位置 或 原位置+原容量

4. 重要参数

参数	默认值	说明
TREEIFY_THRESHOLD	8	链表转红黑树阈值
UNTREEIFY_THRESHOLD	6	红黑树退化为链表阈值
MIN_TREEIFY_CAPACITY	64	最小树化容量

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二、HashSet

1. 核心实现

// 实际使用HashMap存储
private transient HashMap<E,Object> map;

// 虚拟值对象
private static final Object PRESENT = new Object();

2. 关键特性

• 元素唯一性：利用HashMap键的唯一性
• 操作实现：

  public boolean add(E e) {
      return map.put(e, PRESENT) == null;
  }
  

• 无序存储：依赖HashMap的哈希分布
• 线程不安全：与HashMap特性一致

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三、HashTable

1. 核心实现

• 数据结构：数组 + 链表（无红黑树优化）
• 初始容量：默认11
• 负载因子：默认0.75
• 扩容机制：newCapacity = (oldCapacity << 1) + 1

2. 线程安全实现

public synchronized V put(K key, V value) {
    // 方法级synchronized保证线程安全
}

3. 与HashMap对比

特性	HashTable	HashMap
线程安全	✅ 方法级synchronized	❌
Null处理	不允许null键/值	允许一个null键，多个null值
哈希计算	直接使用key.hashCode()	二次哈希(h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16)
继承体系	继承Dictionary类	实现AbstractMap接口
迭代器	Enumerator（不支持fail-fast）	Iterator（支持fail-fast）

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四、对比总结

特性	HashMap	HashSet	HashTable
实现接口	Map	Set	Map
底层结构	数组+链表/红黑树	HashMap	数组+链表
线程安全	❌	❌	✅
Null支持	✅	✅	❌
迭代顺序	不保证有序	不保证有序	不保证有序
初始容量	16	16	11
扩容倍数	2倍	依赖HashMap	2倍+1
哈希冲突解决	链表/红黑树	同HashMap	链表
性能	高	高	低（同步开销）
推荐使用场景	单线程环境	元素去重	遗留系统维护

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五、使用建议

1. 首选HashMap：单线程环境下性能最优
2. 线程安全替代：
   • ConcurrentHashMap 替代 HashTable
   • Collections.synchronizedMap() 包装HashMap
3. HashSet适用场景：

   // 元素去重示例
   Set<String> uniqueWords = new HashSet<>();
   for (String word : words) {
       uniqueWords.add(word);
   }
   

4. HashTable遗留问题：
   • 性能瓶颈（全局锁）
   • 已被ConcurrentHashMap取代

注：JDK8+中HashMap的红黑树优化显著提升了哈希冲突严重时的查询效率（时间复杂度从O(n)优化到O(log n)）。