【Java面试笔记：基础】9.对比Hashtable、HashMap、TreeMap有什么不同？

1. Hashtable、HashMap 和 TreeMap 的区别

• Hashtable：
  • 线程安全：Hashtable 是线程安全的哈希表实现，内部使用哈希表存储键值对。
  • 不支持 null 键和值：不允许使用 null 作为键或值。
  • 性能开销：由于线程安全机制，性能开销较大，已不推荐使用。
• HashMap：
  • 非线程安全：HashMap 是非线程安全的哈希表实现，性能更好。
  • 支持 null 键和值：允许使用 null 作为键或值。
  • 常数时间性能：在大多数情况下，put 和 get 操作可以达到常数时间的性能。
  • 树化改造：当链表长度超过阈值（默认为8）时，链表会被改造为红黑树，以优化性能。
• TreeMap：
  • 基于红黑树：TreeMap 是基于红黑树的有序 Map，提供顺序访问。
  • 时间复杂度：get、put、remove 等操作的时间复杂度为 O(log(n))。
  • 顺序访问：可以通过指定的 Comparator 或键的自然顺序进行排序。

2. HashMap 的设计和实现细节

• 内部结构：HashMap 是数组和链表（或红黑树）组成的复合结构，数组被分为一个个桶（bucket），通过哈希值决定键值对的存储位置。
• 扩容机制：当元素数量超过阈值时，HashMap 会进行扩容，新容量通常是原容量的两倍。
• 负载因子：负载因子决定了哈希表的负载程度，通常默认值为 0.75。负载因子越高，冲突的可能性越大，性能越低。
• 树化改造：当链表长度超过阈值时，链表会被改造为红黑树，以优化性能并防止哈希碰撞拒绝服务攻击。

数据结构对比

类	数据结构	插入/查询时间复杂度	顺序性	内存占用
Hashtable	数组 + 链表	平均O(1)，最坏O(n)	无序	中等（哈希表结构）
HashMap	数组 + 链表/红黑树	平均O(1)，最坏O(log n)	无序	中等
TreeMap	红黑树（平衡二叉搜索树）	O(log n)	按键自然排序	较高（树节点指针）

性能对比场景：

• 随机访问：HashMap ≈ Hashtable > TreeMap
• 范围查询：TreeMap > HashMap（支持有序遍历）
• 插入/删除：HashMap（无冲突时） > TreeMap > Hashtable

3. 解决哈希冲突的方法

• 开放定址法：当发生冲突时，通过线性探测或二次探测找到下一个空槽。
• 再哈希法：使用多个哈希函数进行哈希，直到找到不冲突的位置。
• 链地址法：将冲突的元素存储在同一个桶的链表中。
• 建立公共溢出区：将冲突的元素存储在溢出区。

4. 负载因子和容量的选择

• 负载因子：负载因子决定了哈希表的负载程度，通常默认值为 0.75。建议不要设置超过 0.75 的数值，以避免过多冲突。
• 容量：容量决定了哈希表的大小，应根据预估的元素数量进行设置，以避免频繁扩容。

5. 线程安全问题

• HashMap 不是线程安全的：在多线程环境中使用 HashMap 可能会导致数据不一致或性能问题。
• 线程安全的替代方案：可以使用 Collections.synchronizedMap 或 ConcurrentHashMap 来实现线程安全的 Map`。

线程安全性对比

类	线程安全	同步机制	适用场景
Hashtable	是	方法使用synchronized修饰（全表锁）	多线程环境（已逐渐被替代）
HashMap	否	无同步，需外部控制（如ConcurrentHashMap）	单线程或自行管理同步
TreeMap	否	同HashMap	同HashMap

6.使用场景总结

场景	推荐类	理由
多线程安全需求	ConcurrentHashMap（替代Hashtable）	分段锁优化并发性能
高频单键操作（无排序需求）	HashMap	最优的插入、查询性能
需要有序遍历键	TreeMap	支持自然顺序或自定义排序
旧系统兼容	Hashtable	历史遗留代码维护

7. 总结

• 选择合适的 Map 类型：根据应用场景的需求选择合适的 Map 类型。如果需要线程安全，可以选择 Hashtable 或 ConcurrentHashMap；如果需要高效的随机访问，选择 HashMap；如果需要有序访问，选择 TreeMap。
• 理解 HashMap 的设计和实现：掌握 HashMap 的内部结构、扩容机制、负载因子和树化改造等细节，有助于优化性能和避免并发问题。