「深入浅出」集合Map

系列文章:

前面已经介绍完了Collection接口下的集合实现类，今天我们来介绍Map接口下的几个重要的集合实现类HashMap,Hashtable,LinkedHashMap,TreeMap。

HashMap

(最常用,随机访问速度快,无序,可存一个Null key,多个Null value,非同步)

HashMap是最常用的Map，它根据键的HashCode值存储数据，根据键可以直接获取它的值，具有很快的访问速度，遍历时，取得数据的顺序是完全随机的。因为键对象不可以重复，所以HashMap最多只允许一条记录的键为Null，允许多条记录的值为Null，是非同步的

Hashtable

(HashMap线程安全版,效率低,key和value都不能为null,同步)

Hashtable与HashMap类似，是HashMap的线程安全版，它支持线程同步，即任一时刻只有一个线程能写Hashtable，因此也导致了Hashtale在写入时会比较慢，它继承自Dictionary类，不同的是它不允许记录的键或者值为null，同时效率较低。

LinkedHashMap

(有序,遍历性能好,可存一个Null key,多个Null值,非同步)

LinkedHashMap是由散列表+循环双向链表实现的。LinkedHashMap需要维护元素的插入顺序，因此性能略低于HashMap的性能；但是因为它以链表来维护内部顺序，所以在迭代访问Map里的全部元素时有较好的性能。迭代输出LinkedHashMap的元素时，将会按照添加key-value对的顺序输出,有HashMap的全部特性。

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TreeMap

(有序,可自定义排序,key不能为空,非同步)

TreeMap 是一个有序的key-value集合，它是通过红黑树实现的，每个key-value对即作为红黑树的一个节点。能够把它保存的记录根据键排序，默认是按键值的升序排序（自然顺序），也可以指定排序的比较器，不允许key值为空，非同步的。

HashMap的实现

下面具体说说hashMap的实现原理(基于jdk1.7)

HashMap的构造函数

//初始容量
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;
//默认加载因子
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

// 默认构造函数。
HashMap()

// 指定“容量大小”的构造函数
HashMap(int capacity)

// 指定“容量大小”和“加载因子”的构造函数
HashMap(int capacity, float loadFactor)

// 包含“子Map”的构造函数
HashMap(Map<? extends K, ? extends V> map)

HashMap有以上4种构造方法,其中HashMap(int capacity)和HashMap(int capacity, float loadFactor)可以指定容量或加载因子。

容量即是HashMap所能存储的"最大"容量(注意:最大加了双引号,因为hashMap会做扩容)
加载因子是HashMap在其容量做扩容前可以达到多满的程度。当容量超出了加载因子与当前容量的乘积时，hashMap会进行扩容达到原来的2倍容量。

当使用默认构造函数HashMap()构建时，会使用默认的容量DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4(即是16)和默认加载因子DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f

注意:使用HashMap时,尽量指定它的初始容量,因为扩容是按1倍扩展的,如果频繁的扩容会导致性能下降,内存的消耗。

底层存储Node

HashMap是通过"拉链法"实现的哈希表。其底层存储结构是Node数组,Node实际上就是一个单向链表,哈希表的"key-value键值对"都是存储在Node中的。

Node是HashMap的内部类,如下

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final int hash;
        final K key;
        V value;
        // 指向下一个节点
        Node<K,V> next;
        //构造函数。
      // 输入参数包括"哈希值(hash)", "键(key)", "值(value)", "下一节点(next)"
        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;
        }
         // 判断两个Node是否相等
        // 若两个Node的“key”和“value”都相等，则返回true。
        // 否则，返回false
        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;
        }
    }

Java中数据存储方式最底层的两种结构:数组和链表。

数组的特点：连续空间，寻址迅速，但是在刪除或者添加元素的时候需要有较大幅度的移动，所以查询速度快，增刪较慢。
而链表正好相反，由于空间不连续，寻址困难，增刪元素只需修改指針，所以查询速度慢、增刪快。

有沒有一种数组结构來综合一下数组和链表，以便发挥它们各自的优势？答案是肯定的！就是：哈希表（HashMap）。

哈希表具有较快（常量级）的查询速度，及相对较快的增刪速度，所以很适合在海量数据的环境中使用。一般实现哈希表的方法采用“拉链法”，我們可以理解为“链表的数组”，如下图：

image

从图中，我们可清楚地看出哈希表是由数组+链表组成的，一个长度为16的数组中，每個元素存储的是一个链表的头结点。
通过hash(key)方法判断出元素的存储位置，如果hash(key)值相等，则都存入该hash值所对应的链表中。

这个hash(key)方法是HashMap的一个方法,与Object类的hashCode()是有所区别的,hash(key)在hashCode()方法的基础做一些修改。

HashMap遍历

有3种遍历方式,map.keySet()、map.values()、Map.Entry,例子代码如下

public class Demo2 {
    public static void main(String[] args) {
        Map<Integer, String> map = new HashMap<Integer, String>();
        map.put(1, "aaaa");
        map.put(2, "bbbb");
        map.put(3, "cccc");
        System.out.println(map);


        // 第一种方式: 使用keySet
        // 需要分别获取key和value，没有面向对象的思想
        // Set<K> keySet() 返回所有的key对象的Set集合
        Set<Integer> ks = map.keySet();
        Iterator<Integer> it = ks.iterator();
        while (it.hasNext()) {
            Integer key = it.next();
            String value = map.get(key);
            System.out.println("key=" + key + " value=" + value);
        }

        // 第二种方式：map.values()
        // 通过values 获取所有值,不能获取到key对象
        // Collection<V> values()
        Collection<String> vs = map.values();
        Iterator<String> it = vs.iterator();
        while (it.hasNext()) {
            String value = it.next();
            System.out.println(" value=" + value);
                }

        // 第三种方式： Map.Entry对象 推荐使用 重点
        // Set<Map.Entry<K,V>> entrySet()
        // 返回的Map.Entry对象的Set集合 Map.Entry包含了key和value对象
        Set<Map.Entry<Integer, String>> es = map.entrySet();

        Iterator<Map.Entry<Integer, String>> it = es.iterator();

        while (it.hasNext()) {

            // 返回的是封装了key和value对象的Map.Entry对象
            Map.Entry<Integer, String> en = it.next();

            // 获取Map.Entry对象中封装的key和value对象
            Integer key = en.getKey();
            String value = en.getValue();

            System.out.println("key=" + key + " value=" + value);
          }
    }
}

性能分析及适用场景

HashMap与Hashtable实现机制几乎一样，但是HashMap比Hashtable性能更好些。
LinkedHashMap比HashMap慢一点，因为它需要维护一个双向链表。
TreeMap比HashMap与Hashtable慢（尤其在插入、删除key-value时更慢），因为TreeMap底层采用红黑树来管理键值对。

适用场景：

一般的应用场景，尽可能多考虑使用HashMap，因为其为快速查询设计的。
如需特定的排序时，考虑使用TreeMap。
如仅仅需要插入的顺序时，考虑使用LinkedHashMap。

集合篇系列上讲完了,Queue就不讲了,实在是很少用到,请自行学习哈~

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THANDKS

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