Java集合类中的List、Set和Map及其实现类的详细介绍

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集合类放在java的util包下面，集合类存放的都是对象的引用，而非对象本身，

常见的集合有三种：Set、List、Map

List和Set实现了Collection接口，List和Set本身也是接口，Map为独立接口。
List实现的类：ArrayList、Vector、LinkedList
Set实现的类：HashSet、LinkedHashSet、TreeSet、ArraySet
Map实现的类：HashMap、TreeMap、Hashtable

一、Collection接口

Collection接口是Java集合框架中的一个根接口，它代表了一组对象，称为元素。这个接口本身并不直接实现任何数据结构，而是定义了一些基本的操作方法，这些方法可以被所有实现了Collection接口的集合类所共享。

添加元素
boolean add(E e): 将指定的元素添加到此集合中（可选操作）。
boolean addAll(Collection<? extends E> c): 将指定集合中的所有元素添加到此集合中（可选操作）。
移除元素
boolean remove(Object o): 从此集合中移除指定元素的单个实例，如果存在的话（可选操作）。
boolean removeAll(Collection<?> c): 移除此集合中那些也包含在指定集合中的所有元素（可选操作）。
void clear(): 移除此集合中的所有元素（可选操作）。
检查元素
boolean contains(Object o): 如果此集合包含指定的元素，则返回true。
boolean containsAll(Collection<?> c): 如果此集合包含指定集合中的所有元素，则返回true。
boolean isEmpty(): 如果此集合不包含元素，则返回true。
获取集合大小
int size(): 返回此集合中的元素数（其容量）。
遍历集合
Iterator iterator(): 返回在此集合元素上进行迭代的迭代器。

除了上述基本方法外，Collection接口还定义了其他一些可选操作，如转换为数组的方法Object[] toArray()和 T[] toArray(T[] a)，以及确保此集合的可修改性的方法boolean retainAll(Collection<?> c)（仅保留此集合中也包含在指定集合中的元素）。

Java集合框架中提供了多种实现了Collection接口的类，如List、Set和Queue等。这些类各自具有不同的特性，如List是有序的，允许重复元素；Set是无序的，不允许重复元素；Queue则遵循FIFO原则。

1、List：有值，可重复，有序

1、ArrayList

ArrayList 是 Java 编程语言中的一个类，它实现了 List 接口，主要用于在内存中存储对象的动态数组。ArrayList 提供了一种灵活的方式来存储和操作对象列表，可以动态地调整其大小。

动态数组： ArrayList 在内部使用数组来存储元素，但它能够动态地增长和缩小以适应元素数量的变化。当向 ArrayList 添加元素时，如果当前数组的大小不足以容纳新元素，ArrayList 会自动创建一个更大的数组，并将现有元素复制到新数组中。同样，当从 ArrayList 中删除元素时，如果数组的大小过大，它可能会缩小其大小以节省内存。
随机访问： 由于 ArrayList 在内部使用数组，因此可以通过索引快速访问任意位置的元素。这使得 ArrayList 在需要频繁访问列表中元素的情况下非常高效。
顺序存储： ArrayList 中的元素按照它们被添加到列表中的顺序存储。这意味着可以通过迭代列表来按顺序访问元素。
失败快速： ArrayList 在大多数情况下的性能都非常好，尤其是在随机访问和尾部插入或删除操作方面。然而，在列表的开头插入或删除元素时，由于需要将所有后续元素向前或向后移动一位，因此性能可能较差。
线程不安全： ArrayList 不是线程安全的。如果多个线程同时修改 ArrayList，可能会导致数据不一致或其他并发问题。在多线程环境中使用 ArrayList 时，需要额外的同步措施来确保线程安全。
容量和大小： ArrayList 有两个重要的属性：容量（capacity）和大小（size）。容量是 ArrayList 当前分配的存储空间大小，而大小是实际存储在 ArrayList 中的元素数量。可以通过调用 ensureCapacity() 方法来增加容量，但请注意，这并不会改变 ArrayList 的大小。同样，可以通过调用 add() 方法来增加大小，如果这导致容量不足，ArrayList 会自动增加其容量。

ArrayList 是一个功能强大且灵活的集合类，适用于需要在内存中存储和操作对象列表的场景。

在选择使用 ArrayList 时，需要考虑到其线程不安全性和在列表开头进行插入/删除操作时的性能问题。

2、Vector

Vector是一个表示可以改变大小的数组的序列容器，类似于数组，但具有动态调整大小的能力。

动态数组： Vector可以动态地增长和缩小以适应元素的添加和删除。当需要添加新元素而当前空间不足时，Vector会自动重新分配更大的存储空间，并将现有元素移至新的存储空间。
顺序序列： Vector中的元素按照严格的线性顺序排列，可以通过元素在序列中的位置（即下标）来访问对应的元素。
高效随机访问： Vector提供了常数时间复杂度（O(1)）的随机访问能力，可以快速访问任意位置的元素。
自动内存管理： Vector自动处理其存储空间的分配和释放，无需手动管理内存。

Vector在多个领域都有广泛的应用：

动态数据集合： 当数据集的大小不确定或会随时间变化时，Vector是理想的选择。例如，处理用户输入或读取文件数据时，Vector可以根据需要动态地增长。
替代数组： 在编程中，Vector通常被用来替代传统的固定大小数组，因为它更加灵活且自动管理内存。
数学和科学计算： 在科学计算、物理模拟、数学建模等领域中，Vector用于存储和操作大量数值数据，如矩阵的行或列。
游戏开发和图形处理： Vector可用于存储游戏对象、粒子、坐标点等动态集合，以及图形处理程序中的像素数据、顶点信息、纹理坐标等。

Vector是一个功能强大且灵活的容器类，适用于需要动态存储和访问元素序列的场景。

由于Vector在添加或删除元素时可能需要重新分配存储空间，因此在某些情况下可能会带来一定的性能开销。因此，在选择使用Vector时，需要根据具体的应用场景和需求进行权衡。

3、LinkedList

LinkedList是一个基于链表实现的动态数据结构，它的大小可以在运行时根据需要进行调整。

LinkedList通过节点来存储数据，每个节点不仅包含数据元素，还包含指向前后节点的指针，这种结构使得LinkedList在插入和删除元素时具有非常高的性能。

动态大小： 当元素数量超过当前容量时，LinkedList会自动扩展其大小，无需预先分配固定大小的空间。
高效的插入和删除： 由于LinkedList中的元素是通过指针相互连接的，因此在插入或删除元素时，只需要修改相关节点的指针，而不需要动大量元素。这使得LinkedList在插入和删除操作上的性能优于某些其他数据结构，如ArrayList。
较低的随机访问性能： LinkedList不支持像数组那样的直接索引访问，而是需要从链表头部或尾部遍历到指定的位置。因此，当需要频繁访问链表中间的元素时，LinkedList的性能可能不如ArrayList。
灵活的使用方式： LinkedList可以作为栈、队列或双端队列来使用，这使得它在处理各种数据结构问题时具有很高的灵活性。
非线程安全： 与ArrayList类似，LinkedList也是非线程安全的。如果需要在多线程环境中使用LinkedList，需要额外的同步措施来确保线程安全。

LinkedList是一个功能强大且灵活的数据结构，适用于需要频繁进行插入和删除操作，但对随机访问性能要求不高的场景。

在选择使用LinkedList时，需要考虑到其随机访问性能较低的特点，并结合具体的应用需求进行权衡。

2、Set：无序，值不可重复

1、HashSet

HashSet是Java中的一个重要集合类，它实现了Set接口，主要用于存储不重复的元素。HashSet内部使用HashMap来实现，因此它同样具有高效的性能表现。

不重复元素： HashSet不允许存储重复的元素。当你试图将一个已经存在于集合中的元素添加到HashSet时，添加操作将不会有任何效果，即该元素不会被重复添加。
无序性： HashSet不保证元素的迭代顺序与它们的插入顺序一致。也就是说，每次遍历HashSet时，元素的顺序可能会有所不同。
基于HashMap实现： HashSet内部实际上是通过HashMap来实现的。每个元素都作为HashMap的一个键（key），而值（value）则是一个固定的对象（例如，HashSet内部使用了一个名为PRESENT的常量对象作为值）。这种实现方式使得HashSet在添加、删除和查找元素时都能保持较高的性能。
快速查找： 由于HashSet基于HashMap实现，因此它具有常数时间复杂度（O(1)）的查找性能。这意味着无论集合中包含多少元素，查找一个特定元素所需的时间都是固定的。
自动扩容： 当HashSet中的元素数量超过当前容量时，它会自动进行扩容，以确保能够容纳更多的元素。这种动态扩容的特性使得HashSet在处理大量数据时非常灵活和高效。
非线程安全： 与ArrayList和LinkedList一样，HashSet也是非线程安全的。如果需要在多线程环境中使用HashSet，需要额外的同步措施来确保线程安全。

HashSet是一个用于存储不重复元素的高效集合类，适用于需要快速查找和添加元素，且不关心元素顺序的场景。

在使用HashSet时，需要注意其非线程安全性的特性，并在必要时采取适当的同步措施。

2、LinkedHashSet

LinkedHashSet是Java中的一个集合类，它是HashSet的子类，并基于LinkedHashMap实现。LinkedHashSet的主要特点是既保持了元素的插入顺序，又保证了元素的唯一性。

有序性： LinkedHashSet继承了HashSet的唯一性特性，同时增加了有序性。它使用双向链表来维护元素的插入顺序，确保在迭代时元素会按照它们被添加到集合中的顺序返回。这种有序性使得LinkedHashSet在需要按照特定顺序处理元素时非常有用。
唯一性： 与HashSet一样，LinkedHashSet也保证集合中元素的唯一性。它使用元素的hashCode()方法和equals()方法来检查是否存在重复元素，并在添加时自动排除重复项。
基于LinkedHashMap实现： LinkedHashSet内部实际上是通过LinkedHashMap来实现的。每个元素都作为LinkedHashMap的一个键（key），而值（value）则是一个固定的对象（例如，LinkedHashSet内部使用了一个名为PRESENT的常量对象作为值）。这种实现方式不仅保留了元素的插入顺序，还继承了HashMap的高效性能。
高效性能： 由于LinkedHashSet基于LinkedHashMap实现，它继承了HashMap的高性能特点。在添加、删除和查找元素时，LinkedHashSet都能保持较高的性能，特别是在处理大量数据时表现尤为出色。
动态扩容： 当LinkedHashSet中的元素数量超过当前容量时，它会自动进行扩容，以确保能够容纳更多的元素。这种动态扩容的特性使得LinkedHashSet在处理大量数据时非常灵活和高效。
非线程安全： 与HashSet等其他集合类一样，LinkedHashSet也是非线程安全的。如果需要在多线程环境中使用LinkedHashSet，需要额外的同步措施来确保线程安全。

LinkedHashSet的特点主要体现在有序性、唯一性、高效性能和动态扩容等方面。它适用于需要按照插入顺序存储并处理唯一元素的场景，特别是在对性能要求较高的应用中表现出色。然而，在使用LinkedHashSet时，需要注意其非线程安全性的特性，并在必要时采取适当的同步措施。

LinkedHashSet是一个结合了有序性和唯一性的高效集合类，适用于需要按照插入顺序存储并处理唯一元素的场景。

3、TreeSet

TreeSet是Java集合框架中的一种有序集合，它实现了Set接口，因此具有不允许重复元素的特性。TreeSet通过红黑树数据结构来存储元素，这使得元素在集合中保持有序。

TreeSet中的元素支持两种排序方式：自然排序和根据创建TreeSet时提供的Comparator进行排序。自然排序是根据元素的自然顺序来排列，而Comparator排序则是根据提供的比较器来定义元素的顺序。

有序性： TreeSet中的元素按照特定的顺序排列，这使得遍历TreeSet得到的元素是按照一定的顺序返回的。这种有序性为应用场景下的迭代和顺序处理提供了便利。
唯一性： 与HashSet一样，TreeSet也保证元素的唯一性，不允许重复元素。
高效的查找、插入、删除操作： 由于TreeSet基于红黑树实现，其查找、插入和删除操作的时间复杂度为O(log(n))，因此适用于大批量数据的操作。
支持范围查找： TreeSet支持返回第一个大于等于或小于等于给定值的元素，这能满足一些特殊业务需求。
线程安全： TreeSet具有底层数据结构红黑树的特性，包括平衡、高效以及线程安全。

TreeSet还继承了AbstractSet抽象类和实现了NavigableSet、Cloneable、java.io.Serializable接口，因此它具有Set的属性和方法，支持一系列的导航方法，能被克隆，并支持序列化。

TreeSet是一个有序的、唯一的元素集合，适用于需要有序存储唯一元素的场景。

在使用TreeSet时，需要注意其元素的排序方式以及线程安全性的考虑。

5、Queue：队列

Queue与List、Set同一级别，都是继承了Collection接口，LinkedList即可以实现Queue接口，也可以实现List接口，若实现Queue接口，会窄化LinkedList的方法的访问权限：即不能直接访问LinkedList的非Queue的方法。

Queue（队列）是一种特殊类型的线性数据结构，它遵循FIFO（First In First Out，先入先出）的原则，即最早加入的元素将是最先被移除的元素。Queue提供了在表的前端进行删除操作，而在表的后端进行插入操作的能力。

入队（Enqueue）： 在队列的尾部添加一个元素。
出队（Dequeue）： 移除队列的头部元素，并返回该元素。如果队列为空，则无法进行出队操作。
查看队首（Peek）： 返回队列头部的元素，但不移除它。如果队列为空，则返回特定值（如null或抛出异常）。
检查队列是否为空（IsEmpty）： 检查队列中是否还有元素。
获取队列大小（Size）： 返回队列中当前元素的数量。

Queue在实际应用中有许多用途，特别是在需要按照特定顺序处理元素的情况下。例如，在多线程编程中，Queue经常被用作线程之间的通信桥梁，一个线程可以将任务或数据放入队列，另一个线程可以从队列中取出任务或数据进行处理。此外，在计算机系统的许多其他方面，如网络数据包的处理、任务调度等，Queue都发挥着重要的作用。

Java标准库提供了几种Queue的实现，包括LinkedList、PriorityQueue、ArrayBlockingQueue等，它们各自具有不同的特性和适用场景。

二、Map接口

Map接口是Java编程中非常重要的一个接口，它用于存储键值对（key-value pair）的映射关系。Map接口提供了一种通过键来查找值的方式，其中键和值都可以是任意的Java对象。

Map接口定义了一系列用于操作映射关系的方法，例如添加、删除、更新和查询元素等。它允许用户根据键快速查找对应的值。Map中的键必须是唯一的，每个键最多映射到一个值。 此外，Map接口的实现类可以存储任意类型的键值对，这为用户提供了很大的灵活性。

在Java中，Map接口有多个实现类，如HashMap、Hashtable、TreeMap和LinkedHashMap等。

Map接口本身并不直接支持遍历操作，但可以通过keySet()或entrySet()方法将其转换为Set，从而进行遍历。此外，Map中的键不允许为null（HashMap和LinkedHashMap允许一个null键），而值可以为null（HashMap和LinkedHashMap允许多个null值，但TreeMap不允许null键或null值）。

Map接口为Java编程提供了强大的键值对存储和查找功能，能够方便地处理各种映射关系。

1、HashMap

HashMap是Java中Map接口的一个常用实现类，它基于哈希表数据结构来实现键值对的存储和查找。

高效性能： HashMap通过哈希表来实现元素的存储和查找，因此具有非常高效的性能。在理想情况下，HashMap的查找、插入和删除操作的时间复杂度都是O(1)，即常数时间复杂度。这使得HashMap在处理大量数据时能够保持出色的性能。
无序性： HashMap不保证元素的顺序，即遍历HashMap时，元素的顺序可能与插入的顺序不一致。如果需要保持元素的顺序，可以考虑使用LinkedHashMap。
允许null键和null值： HashMap允许键（key）和值（value）为null，但键只能有一个为null，值可以有多个为null。这一特性使得HashMap在某些场景下非常方便。
动态扩容： 当HashMap中的元素数量超过当前容量的一定阈值时，HashMap会自动进行扩容，以容纳更多的元素。扩容过程中会重新计算哈希值并移动元素，因此扩容操作可能会涉及到较大的性能开销。为了避免频繁扩容，可以在创建HashMap时指定一个合适的初始容量和加载因子。
冲突处理： 由于哈希表的特性，不同的键可能会计算出相同的哈希值，从而导致冲突。HashMap通过链表或红黑树来解决冲突。当冲突较少时，HashMap使用链表来存储具有相同哈希值的键值对；当冲突较多时，链表会转换为红黑树以提高查找性能。

在使用HashMap时，需要注意以下几点：

键（key）必须是唯一的，不能重复。 如果插入具有相同键的键值对，后插入的值会覆盖先插入的值。
尽量避免使用可变对象作为键。 因为HashMap在存储键值对时会计算键的哈希值，并在后续操作中依赖这个哈希值。如果键对象在HashMap中发生变化，其哈希值也可能发生变化，导致HashMap无法正确查找或删除元素。
当HashMap中的元素数量较多时，扩容操作可能会带来较大的性能开销。 因此，在创建HashMap时，最好根据预期的元素数量来指定一个合适的初始容量和加载因子，以减少扩容次数。

1、HashMap结构

HashMap是链表散列的数据结构，即数组和链表的结合体，底层是一个数组结构，而数组结构中的每一项元素又是一个链表结构，即Entry<k, v>，Entry就是数组中的元素，每个Map.Entry其实就是一个key-value键值对，它持有指向下一个的引用。

① --> Entry<k, v>
② --> Entry<k, v> --> Entry<k, v>
③ --> Entry<k, v>
④ ...
⑤ --> Entry<k, v> --> Entry<k, v> --> Entry<k, v>

解释：

数组：HashMap以键值对的方式存储结构，其中key-value都是Map.Entry中的属性。数组的下标对应key值，数组的值对应value。
对应的过程：将key值进行Hash后得到Hash值，若Hash值的范围大与数组长度的话，就需要转换，对数组的长度进行取模运算，得到的余数即为存放的下标key，HashMap的长度一般是2的幂次方，是为了提高模运算的效率。
链表：经过上述操作，会出现相同的下标key，即产生了Hash冲突，采用链表的方式进行存储，如果key相同，则覆盖原始值。如果key出现冲突，就将当前的key-value值放入链表，进一步对比value值，不同，则放入链表的下一个节点。

Hash取模详细解释：

通过put()方法传递键key和值value时，先对键调用hashCode方法，计算并返回hashCode值用于找到Map数组的位置来存储Entry对象，hashCode方法是根据key的hash值来求对应数组中的位置。使用hashCode对数组的长度进行取模运算，元素尽量分布的均匀一点，取模后取得相同的值即为hash冲突。取模相同的要使用equals方法去判断，相同的话不存储，不相同的话就存储到链表的下一个节点。

2、Hashtable

Hashtable是Java中基于哈希表（Hash Table）实现的一种数据结构，用于存储键值对（key-value pair）。Hashtable的主要目的是提供一种快速查找和存储数据的方式。它通过哈希函数将键映射到存储位置，从而实现了高效的插入、删除和查找操作。

唯一键： Hashtable中的键（key）必须是唯一的，每个键最多映射到一个值（value）。这意味着如果你尝试插入具有相同键的新键值对，那么新值会覆盖旧值。
线程安全： Hashtable是线程安全的，这意味着在多线程环境中，多个线程可以同时读写Hashtable而不会导致数据不一致。然而，线程安全也带来了一定的性能开销。如果需要更高的性能，并且可以接受一定程度的线程不安全，可以考虑使用HashMap。
性能： 通过哈希函数，Hashtable可以快速定位到存储的数据位置，因此查找速度快。同时，插入和删除操作也相对高效，因为只需要计算一次哈希函数即可。
冲突处理： 哈希函数并不是完美的，有时会出现多个键映射到同一个位置的情况，这种情况称为哈希冲突。为了解决哈希冲突问题，Hashtable通常采用拉链法或开放寻址法。

虽然Hashtable提供了线程安全，但在高并发的场景下，其性能可能不如其他非线程安全的哈希表实现（如HashMap）。此外，由于Hashtable是较老的Java集合类，一些新的Java特性（如泛型）在Hashtable中并未得到很好的支持。

3、TreeMap

TreeMap是Java中的一种集合类，它实现了SortedMap接口，这意味着TreeMap中的元素可以按照键的自然顺序或者自定义顺序进行排序。TreeMap的底层实现采用了红黑树（Red-Black Tree）的数据结构，这种数据结构能够确保TreeMap在动态插入、删除和修改键值对时，仍然能够保持元素的有序性。

排序： TreeMap中的键值对按照键的顺序进行排序。默认情况下，它按照键的自然顺序进行排序，但也可以通过构造函数传入自定义的Comparator来实现特定的排序规则。
有序性： 由于TreeMap是按照键的顺序存储元素的，因此在遍历时可以按照排序顺序获取或操作元素。这种有序性使得TreeMap在处理需要排序的场景时非常有用。
动态更新： TreeMap支持动态插入、删除和修改键值对操作，这些操作会保持元素的有序性。也就是说，无论何时进行更新操作，TreeMap都能够保持其内部元素的排序状态。
范围查询： TreeMap提供了一系列的方法来支持范围查询，例如headMap、tailMap和subMap等。这些方法可以根据指定的范围获取子映射，使得在处理需要按照键的范围来查询和操作数据的场景时非常高效。

TreeMap主要适用于需要排序和范围查询的场景。例如，当需要按照键的顺序访问和处理数据时，可以使用TreeMap来存储键值对，并利用其排序特性方便地进行相关操作。此外，当需要根据键的范围来查询和操作数据时，TreeMap提供的范围查询方法能够快速地定位所需的子映射。

在使用TreeMap时，需要注意自定义比较器的情况。如果元素不实现Comparable接口，或者需要按照不同的方式进行排序，可以通过构造函数传入自定义的Comparator来实现特定的排序规则。同时，为了保证线程安全，可以使用Collections.synchronizedSortedMap进行包装，或者使用ConcurrentSkipListMap作为线程安全的替代。

4、LinkedHashMap

LinkedHashMap是Java中的一种特殊类型的HashMap，它继承自HashMap并实现了Map接口。与普通的HashMap不同，LinkedHashMap在内部使用双向链表维护了插入顺序或者访问顺序，从而保证了元素的顺序。

有序性： LinkedHashMap按照元素的插入顺序或访问顺序进行排序和存储，因此，在迭代LinkedHashMap时，元素会按照它们被插入或访问的顺序返回。这种有序性使得LinkedHashMap非常适合于需要保持元素顺序的场景。
高效性： 由于LinkedHashMap底层使用哈希表实现，因此它具有HashMap的高效查找和访问特性。可以快速进行元素的查找、插入和删除操作。
可预测性： 由于LinkedHashMap维护了元素的顺序，因此它提供了可预测的遍历顺序。这在某些需要按照特定顺序处理元素的场景中非常有用。

LinkedHashMap的用途广泛，例如在需要实现LRU（Least Recently Used，最近最少使用）缓存的场景中，LinkedHashMap可以根据元素的访问顺序进行缓存淘汰。此外，它还可以用于实现有序的映射表，保持元素按照插入顺序或访问顺序排列。

需要注意的是，虽然LinkedHashMap保持了元素的顺序，但在多线程环境下使用时，仍然需要注意线程安全问题。如果需要在多线程环境中使用LinkedHashMap，可以考虑使用其线程安全的版本，或者使用其他线程安全的集合类。

三、List、Set、Map是否可以为null值

1、List的实现类

大部分List的实现类（如ArrayList, LinkedList等）都允许存储null值作为列表的元素。例如，你可以向ArrayList中添加一个null元素。
List本身（即List类型的引用）也可以被设置为null。这取决于你如何初始化或赋值给这个引用。

2、Set的实现类

Set的实现类（如HashSet, TreeSet等）一般不允许存储重复的元素。但是，它们是否可以存储null值取决于具体的实现。例如，HashSet允许存储一个null元素，但TreeSet不允许（因为TreeSet需要元素之间可比较，而null不能参与比较）。
Set本身（即Set类型的引用）也可以被设置为null。

3、Map的实现类

Map的实现类（如HashMap, TreeMap, Hashtable等）对于键和值的处理各不相同。例如，HashMap允许键和值都可以是null。TreeMap不允许null键，但值可以是null。Hashtable则不允许键或值为null。
Map本身（即Map类型的引用）同样可以被设置为null。

4、总结

List允许存储的值为null，并且可以存储多个，不会对数据结构造成影响。
HashSet、LinkedHashSet底层为HashMap，可以有1个为null的元素。
TreeSet不能有key为null的元素，需要进行元素之间的比较，会报空指针错误。
HashMap只能有一个key为null的节点，因为Map的key相同时，后面的节点会替换之前的key。
TreeMap会调用CompareTo方法，对象为null时会报空指针错误。
Hashtable底层为散列表，无论是key为null或者value为null，都会报错。