8.HashMap 和 Hashtable 的区别及底层实现

一、💡 一句话理解

核心结论

HashMap 和 Hashtable 都用哈希表保存键值对，但 HashMap 非线程安全、允许 null，现代实现还会把过长链表转成红黑树；Hashtable 的主要方法使用 synchronized、不允许 null，属于较老的实现。

Java 中正确的类名是 Hashtable，不是 HashTable。

二、🧭 理论：它们是什么

2.1 先认识 Hashtable

Hashtable<K, V> 是 Java 早期提供的 Map 实现，用 Key 查找 Value，例如：

Map<String, Integer> scores = new Hashtable<>();
scores.put("语文", 90);
scores.put("数学", 95);
 
// get：根据 Key 取出对应的 Value。
System.out.println(scores.get("语文")); // 90

它和 HashMap 的基本用途相同，都适合表达“姓名 → 电话”“商品编号 → 库存”这样的对应关系。最大的特点是：主要方法自带同步控制，因此常被理解为“加了大锁的老版 HashMap”。

2.2 Hashtable 和哈希表不是同一个概念

• **哈希表（hash table）**是一种数据结构；
• Hashtable 是 Java 中一个具体的类；
• HashMap 虽然类名不是 Hashtable，底层同样使用了哈希表。

因此，不能认为只有 Hashtable 才是哈希表。

2.3 为什么现在很少使用

Hashtable 出现得很早，后来才被纳入 Java Collections Framework。现代代码通常这样选择：

场景	常见选择
不需要并发访问	HashMap
多线程共享并修改	ConcurrentHashMap
维护历史代码或调用老式 API	可能遇到 Hashtable

你也可能间接使用过它：Properties 继承自 Hashtable<Object, Object>。

可以把 Map 想成一排储物柜：

• hashCode()：根据 Key 算出大致放进哪个柜子；
• 桶（bucket）：真正存放键值对的位置；
• equals()：同一个柜子里出现多个 Key 时，再确认是不是正在寻找的 Key。

类比的边界是：真实实现不是直接拿 hashCode() 当数组下标，还会经过扰动和取模或位运算。

2.4 主要区别

对比项	HashMap	Hashtable
线程安全	不保证线程安全	主要公开方法使用 synchronized
null	允许一个 null Key、多个 null Value	Key 和 Value 都不能为 null
底层结构	数组 + 链表 + 红黑树（JDK 8+）	数组 + 链表
默认容量	16	11
默认负载因子	0.75	0.75
扩容方式	通常扩大为原来的 2 倍	通常扩大为原来的 2 倍再加 1
推荐场景	普通 Map 的常用选择	兼容旧代码，现代业务很少新用

线程安全不等于性能更好

Hashtable 通常给整个实例加锁，并发访问容易互相等待。需要高并发共享 Map 时，一般使用 ConcurrentHashMap。

三、⚙️ 理论：底层怎么工作

3.1 HashMap 的 put 流程

1. 根据 Key 计算哈希值和数组下标。
2. 桶为空，直接放入新节点。
3. 桶不为空，通过 hash 和 equals() 判断 Key 是否已经存在。
4. Key 已存在就覆盖 Value；否则把节点加入链表或红黑树。
5. 元素数量超过阈值 容量 × 负载因子 时扩容。

JDK 8+ 中，一个桶里的节点达到树化条件时会转成红黑树。常见面试数值是：链表节点达到 8，并且数组容量至少为 64；容量不足 64 时优先扩容，而不是立即树化。

数组 table
  ├─ 桶 0 → null
  ├─ 桶 1 → Node → Node              链表
  └─ 桶 2 → TreeNode ↔ TreeNode      红黑树

3.2 Hashtable 的 put 流程

Hashtable 同样先计算哈希值和桶下标，再用链表解决哈希冲突。主要区别是：

• put、get 等主要方法带有 synchronized，同一时刻通常只有一个线程能执行实例上的这些方法；
• 不支持 null Key 和 null Value；
• 冲突增多时仍使用链表，不会像现代 HashMap 那样树化。

可以把同步过程理解成：

线程 A：拿到同一个 Hashtable 的锁 → 执行 put → 释放锁
线程 B：                等待拿锁 → 执行 get → 释放锁

源码形式可以简化理解为：

public synchronized V put(K key, V value) {
    // synchronized：执行该方法前，线程要先获得当前 Hashtable 实例的锁。
    // 其他线程暂时不能同时执行这个实例上同样需要该锁的同步代码。
}

不过，单个方法同步不代表组合操作一定安全：

// containsKey 和 put 分别是同步方法，
// 但其他线程仍可能在两次方法调用之间插入操作。
if (!hashtable.containsKey("count")) {
    hashtable.put("count", 1);
}

如果需要原子地完成“判断后修改”，应使用合适的并发 API，或对整个组合操作额外同步。

共同点

两者都依赖 Key 正确实现 hashCode() 和 equals()。如果只重写其中一个，可能出现“看起来相同的 Key，却取不到 Value”的问题。

四、🚀 实践：从准备到验证

4.1 前置准备

• JDK 8 或更高版本；
• 不需要第三方依赖。

4.2 可以拿来干什么

• 单线程、方法内临时数据或不共享的 Map：使用 HashMap。
• 多线程只读：正确构建并安全发布后，可以读取 HashMap。
• 多线程共享且会修改：优先考虑 ConcurrentHashMap，不要因为 Hashtable 名字里有 Table 就默认选择它。

4.3 完整实践：代码、启动和验证

新建 MapDifferenceDemo.java：

import java.util.HashMap;
import java.util.Hashtable;
import java.util.Map;
 
public class MapDifferenceDemo {
 
    public static void main(String[] args) {
        // HashMap 允许 null Key 和 null Value。
        Map<String, String> hashMap = new HashMap<>();
        hashMap.put(null, "空键");
        hashMap.put("name", null);
        System.out.println("HashMap：" + hashMap);
 
        // Hashtable 的主要方法有同步控制，但不允许 null。
        Map<String, String> hashtable = new Hashtable<>();
        hashtable.put("name", "Afyke");
        System.out.println("Hashtable：" + hashtable);
 
        try {
            // 这里会抛出 NullPointerException。
            hashtable.put(null, "空键");
        } catch (NullPointerException exception) {
            System.out.println("Hashtable 不允许 null Key");
        }
    }
}

运行：

javac MapDifferenceDemo.java
java MapDifferenceDemo

预期能看到 HashMap 保存了 null，而 Hashtable 在写入 null Key 时抛出 NullPointerException。Map 的打印顺序不固定，不影响结论。

五、🎤 面试时怎么流利地说

5.1 回答路线

共同点 → 线程安全与 null → 底层结构 → 使用选择。

5.2 30 秒标准回答

HashMap 和 Hashtable 都基于哈希表实现 Map。主要区别是 HashMap 非线程安全，允许一个 null Key 和多个 null Value；Hashtable 的主要方法使用 synchronized，Key 和 Value 都不能为 null。底层上，JDK 8 之后的 HashMap 是数组、链表和红黑树，冲突严重时可以树化；Hashtable 主要还是数组加链表。实际开发中，普通场景用 HashMap，并发场景通常用 ConcurrentHashMap，很少新用 Hashtable。

5.3 1—2 分钟展开回答

两者放入元素时，都会根据 Key 的 hashCode() 定位桶，再通过 equals() 判断 Key 是否相同。发生哈希冲突时，HashMap 先使用链表；JDK 8+ 满足条件后会转成红黑树，降低极端冲突下的查询成本。

Hashtable 通过方法级同步保证单次方法调用的线程安全，但锁的粒度较大，而且“先判断再修改”这类组合操作仍需要额外保证原子性。因此，不能只因为它线程安全就优先使用它。

5.4 高频追问与短答

5.4.1 为什么 HashMap 允许 null？

HashMap 对 null Key 做了专门处理，可以把它放到特定桶中。Hashtable 会直接拒绝 null Key 和 Value。

5.4.2 Hashtable 完全可以代替 ConcurrentHashMap 吗？

不建议。两者都能提供线程安全的 Map 操作，但 Hashtable 的锁粒度较大；ConcurrentHashMap 专门面向高并发设计，通常有更好的并发性能。

5.4.3 Hashtable 单个方法同步，组合操作也一定安全吗？

不一定。例如“先 containsKey，再 put”包含两次调用，其他线程可能在中间插入操作。需要原子组合操作时，应选择合适的并发 API 或额外同步。

六、📌 总结

• HashMap：非线程安全、允许 null、JDK 8+ 支持链表树化。
• Hashtable：主要方法同步、不允许 null、数组加链表。
• 两者都依赖正确的 hashCode() 和 equals()。
• 普通场景用 HashMap；并发修改优先考虑 ConcurrentHashMap。

一句话记忆

HashMap 灵活常用但不自带锁；Hashtable 自带大锁但已经偏老；并发优先 ConcurrentHashMap。

相关笔记：1.hashmap存储在方法内是线程安全的吗、../基础/1.HashMap、../基础/2.ConcurrentHashMap

七、📚 官方资料

• Java SE 25 API：HashMap
• Java SE 25 API：Hashtable
• OpenJDK 源码：HashMap.java
• OpenJDK 源码：Hashtable.java