面试3-java集合类总结（Map）

1.概述：

Java 中的map集合使用键值对（key-value）来保持数据，其中值（value）可以重复，键（key）必须唯一，但最多只能有一个key为空，它的主要实现类有HashMap、HashTable、TreeMap、LinkedHashMap.

Map集合方法摘要

map和collection的区别：

map存储的是键值对形式的元素，键唯一，值可以重复

collection存储的是单列元素，子接口set元素唯一，子接口list元素可以重复

map集合的数据结构值针对键有效，跟值无关，collection集合的数据结构针对的是元素有效

map的遍历方式（4种）

package Three;

import java.util.*;

public class Map_sort {
    public static void main(String[] args) {
        Map<String,String> map = new HashMap<String, String>();
        map.put("a","@");
        map.put("f","@");
        map.put("n","@");
        map.put("e","@");
        map.put("q","@");
        map.put("d","@");
        map.put("l","@");
        // 第一种遍历map的方法，通过加强for循环map.keyset()，然后通过键key获取value值
        for (String s:map.keySet()){
            System.out.println("key"+s+"value"+map.get(s));
        }
        //第二种只遍历键或值
        for (String s1:map.keySet()){
            System.out.println("键key"+s1);
        }
        for (String s2:map.values()){
            System.out.println("值value"+s2);
        }
        //第三种，使用Map.Entry<String,String>的加强for循环遍历输出key value
        for (Map.Entry<String,String> entry : map.entrySet()){
            System.out.println("key"+entry.getKey()+"value"+entry.getValue());
        }
        //第四种，使用Iterator遍历获取，然后获取到Map.Entry<String,String>，再得到getKey() getValue()
        Iterator<Map.Entry<String,String>> it = map.entrySet().iterator();
        while (it.hasNext()){
            Map.Entry<String,String> entry = it.next();
            System.out.println("key"+entry.getKey()+"value"+entry.getValue());
        }
    }
}

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Map的实现类（面试重点）

HashMap

 http://www.importnew.com/20386.html ----HashMap源码分析

HashMap根据键的hashcode值存储数据，大多数情况下可以直接定位到它的值，因而具有很快的访问速度，但是遍历顺序是不确定的。HashMap最多只允许一条记录的键为null，允许多条记录的值为null。HashMap非线程安全，即任一时刻可以有多个线程同时写HashMap，可能会导致数据的不一致。如果需要满足线程安全，可以用 Collections的synchronizedMap方法使HashMap具有线程安全的能力，或者使用ConcurrentHashMap。

Map m = Collections.synchronizedMap(new HashMap(...)); 

1.HashMap存储结构

HashMap是数组+链表+红黑树（jdk1.8增加了红黑树部分）实现的。

源码

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final int hash;//保存节点的hash值
        final K key;//保存节点的key值
        V value;//保存节点的value值
        Node<K,V> next;//指向链表结构下的当前节点的next节点，红黑树TreeNote 节点中也有用到

        Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
            this.hash = hash;
            this.key = key;
            this.value = value;
            this.next = next;
        }

        public final K getKey()        { return key; }
        public final V getValue()      { return value; }
        public final String toString() { return key + "=" + value; }

        public final int hashCode() {
            return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
        }

        public final V setValue(V newValue) {
            V oldValue = value;
            value = newValue;
            return oldValue;
        }

        public final boolean equals(Object o) {
            if (o == this)
                return true;
            if (o instanceof Map.Entry) {
                Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>)o;
                if (Objects.equals(key, e.getKey()) &&
                    Objects.equals(value, e.getValue()))
                    return true;
            }
            return false;
        }
    }
static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {
    TreeNode<K,V> parent;  // red-black tree links
    TreeNode<K,V> left;
    TreeNode<K,V> right;
    TreeNode<K,V> prev;    // needed to unlink next upon deletion
    boolean red;
    TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
        super(hash, key, val, next);
    }

    /**
     * Returns root of tree containing this node.
     */
    final TreeNode<K,V> root() {
        for (TreeNode<K,V> r = this, p;;) {
            if ((p = r.parent) == null)
                return r;
            r = p;
        }
    }

这里需要讲明白两个问题：数据底层具体存储的是什么？这样的存储方式有什么优点呢？

(1) 从源码可知，HashMap类中有一个非常重要的字段，就是 Node[] table，即哈希桶数组，明显它是一个Node的数组。我们来看Node[JDK1.8]是何物。

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static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {          final int hash;    //用来定位数组索引位置          final K key;          V value;          Node<K,V> next;   //链表的下一个node            Node( int hash, K key, V value, Node<K,V> next) { ... }          public final K getKey(){ ... }          public final V getValue() { ... }          public final String toString() { ... }          public final int hashCode() { ... }          public final V setValue(V newValue) { ... }          public final boolean equals(Object o) { ... } }

Node是HashMap的一个内部类，实现了Map.Entry接口，本质是就是一个映射(键值对)。上图中的每个黑色圆点就是一个Node对象。

(2) HashMap就是使用哈希表来存储的。哈希表为解决冲突，可以采用开放地址法和链地址法等来解决问题，Java中HashMap采用了链地址法。链地址法，简单来说，就是数组加链表的结合。在每个数组元素上都一个链表结构，当数据被Hash后，得到数组下标，把数据放在对应下标元素的链表上。例如程序执行下面代码：

1	map.put( "美团" , "小美" );

系统将调用”美团”这个key的hashCode()方法得到其hashCode 值（该方法适用于每个Java对象），然后再通过Hash算法的后两步运算（高位运算和取模运算，下文有介绍）来定位该键值对的存储位置，有时两个key会定位到相同的位置，表示发生了Hash碰撞。当然Hash算法计算结果越分散均匀，Hash碰撞的概率就越小，map的存取效率就会越高。

如果哈希桶数组很大，即使较差的Hash算法也会比较分散，如果哈希桶数组数组很小，即使好的Hash算法也会出现较多碰撞，所以就需要在空间成本和时间成本之间权衡，其实就是在根据实际情况确定哈希桶数组的大小，并在此基础上设计好的hash算法减少Hash碰撞。那么通过什么方式来控制map使得Hash碰撞的概率又小，哈希桶数组（Node[] table）占用空间又少呢？答案就是好的Hash算法和扩容机制。

在理解Hash和扩容流程之前，我们得先了解下HashMap的几个字段。从HashMap的默认构造函数源码可知，构造函数就是对下面几个字段进行初始化，源码如下：

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int threshold;             // 所能容纳的key-value对极限 final float loadFactor;    // 负载因子 int modCount;  int size;

首先，Node[] table的初始化长度length(默认值是16)，Load factor为负载因子(默认值是0.75)，threshold是HashMap所能容纳的最大数据量的Node(键值对)个数。threshold = length * Load factor。也就是说，在数组定义好长度之后，负载因子越大，所能容纳的键值对个数越多。

结合负载因子的定义公式可知，threshold就是在此Load factor和length(数组长度)对应下允许的最大元素数目，超过这个数目就重新resize(扩容)，扩容后的HashMap容量是之前容量的两倍。默认的负载因子0.75是对空间和时间效率的一个平衡选择，建议大家不要修改，除非在时间和空间比较特殊的情况下，如果内存空间很多而又对时间效率要求很高，可以降低负载因子Load factor的值；相反，如果内存空间紧张而对时间效率要求不高，可以增加负载因子loadFactor的值，这个值可以大于1。

size这个字段其实很好理解，就是HashMap中实际存在的键值对数量。注意和table的长度length、容纳最大键值对数量threshold的区别。而modCount字段主要用来记录HashMap内部结构发生变化的次数，主要用于迭代的快速失败。强调一点，内部结构发生变化指的是结构发生变化，例如put新键值对，但是某个key对应的value值被覆盖不属于结构变化。

在HashMap中，哈希桶数组table的长度length大小必须为2的n次方(一定是合数)，这是一种非常规的设计，常规的设计是把桶的大小设计为素数。相对来说素数导致冲突的概率要小于合数，具体证明可以参考http://blog.csdn.net/liuqiyao_01/article/details/14475159，Hashtable初始化桶大小为11，就是桶大小设计为素数的应用（Hashtable扩容后不能保证还是素数）。HashMap采用这种非常规设计，主要是为了在取模和扩容时做优化，同时为了减少冲突，HashMap定位哈希桶索引位置时，也加入了高位参与运算的过程。

这里存在一个问题，即使负载因子和Hash算法设计的再合理，也免不了会出现拉链过长的情况，一旦出现拉链过长，则会严重影响HashMap的性能。于是，在JDK1.8版本中，对数据结构做了进一步的优化，引入了红黑树。而当链表长度太长（默认超过8）时，链表就转换为红黑树，利用红黑树快速增删改查的特点提高HashMap的性能，其中会用到红黑树的插入、删除、查找等算法。

2.HashMap中的put方法

①.判断键值对数组table[i]是否为空或为null，否则执行resize()进行扩容；

②.根据键值key计算hash值得到插入的数组索引i，如果table[i]==null，直接新建节点添加，转向⑥，如果table[i]不为空，转向③；

③.判断table[i]的首个元素是否和key一样，如果相同直接覆盖value，否则转向④，这里的相同指的是hashCode以及equals；

④.判断table[i] 是否为treeNode，即table[i] 是否是红黑树，如果是红黑树，则直接在树中插入键值对，否则转向⑤；

⑤.遍历table[i]，判断链表长度是否大于8，大于8的话把链表转换为红黑树，在红黑树中执行插入操作，否则进行链表的插入操作；遍历过程中若发现key已经存在直接覆盖value即可；

⑥.插入成功后，判断实际存在的键值对数量size是否超多了最大容量threshold，如果超过，进行扩容。