Java Map 體系深度對比：HashMap、Hashtable、HashSet 核心差異

Map 與 Set 是 Java 集合框架兩大支柱。本文聚焦 HashMap、Hashtable、HashSet 三者的繼承體系、線程安全、空值策略、遍歷方式、哈希計算、擴容機制七大核心差異。

七大核心差異對比表

深度解析關鍵差異

1. 線程安全選型

• Hashtable：方法級鎖，粒度粗，效能低，**新代碼不推薦**
• Collections.synchronizedMap(new HashMap())：包裝器，同樣粗粒度
• ConcurrentHashMap：JDK 8 CAS + synchronized 節點鎖 + 紅黑樹，**首選併發 Map**

2. null 值語義陷阱

Map<String, String> map = new HashMap<>();
map.put("key", null);
map.get("key"); // 回傳 null
map.get("nonexistent"); // 也回傳 null
// 無法區分「值為 null」vs「Key 不存在」
map.containsKey("key"); // 必須用此判斷

3. 哈希擾動函數（HashMap 核心優化）

// JDK 1.8 靜態擾動函數
static final int hash(Object key) {
    int h;
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
// 將高 16 位與低 16 位異或，減少碰撞，提升分佈均勻度

Hashtable 直接使用 hashCode()，高位資訊浪費，碰撞率較高。

4. 擴容機制差異

• Hashtable：newCapacity = oldCapacity * 2 + 1（保持奇數，略減碰撞）
• HashMap：newCapacity = oldCapacity << 1（保持 2 的冪次，配合 (n - 1) & hash 位運算取模，極快）

HashSet 實現本質

HashSet 內部持有一個 HashMap<E, Object>，所有元素作為 Key 存入，Value 統一為 PRESENT = new Object()。因此特性與 HashMap 高度一致。

WeakHashMap 補充

Key 為弱引用，GC 時自動清理無強引用的 Key，適合元數據快取。同樣非同步。

選型建議

• 單線程、高效 Map：HashMap
• 多線程併發 Map：ConcurrentHashMap
• 需同步、舊系統維護：Hashtable（或包裝器）
• 去重集合、無序：HashSet
• 有序集合：LinkedHashSet（插入序）/ TreeSet（自然序）
• Key 生命週期自動管理：WeakHashMap