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Java中详细解析Map接口

2024-04-02 19:55

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Map详解：

先看图，便于宏观了解Map的地位。

Map接口中键和值一一映射. 可以通过键来获取值。

给定一个键和一个值，你可以将该值存储在一个Map对象. 之后，你可以通过键来访问对应的值。
当访问的值不存在的时候，方法就会抛出一个NoSuchElementException异常.
当对象的类型和Map里元素类型不兼容的时候，就会抛出一个 ClassCastException异常。
当在不允许使用Null对象的Map中使用Null对象，会抛出一个NullPointerException 异常。
当尝试修改一个只读的Map时，会抛出一个UnsupportedOperationException异常。

Map基本操作：

Map 初始化

Map<String, String> map = new HashMap<String, String>();

插入元素

map.put("key1", "value1");

获取元素

map.get("key1")

移除元素

map.remove("key1");

清空map

map.clear();

hashMap原理：

hashMap是由数组和链表这两个结构来存储数据。

数组：存储区间是连续的，占用内存严重，故空间复杂的很大。但数组的二分查找时间复杂度小，为O(1)；寻址容易，插入和删除困难；

链表：存储区间离散，占用内存比较宽松，故空间复杂度很小，但时间复杂度很大，达O(N)；寻址困难，插入和删除容易。

hashMap则结合了两者的优点，既满足了寻址，又满足了操作，为什么呢？关键在于它的存储结构。

它底层是一个数组，数组元素就是一个链表形式，见下图：

Entry: 存储键值对。

Map类在设计时提供了一个静态修饰接口Entry。Entry将键值对的对应关系封装成了键值对对象，这样我们在遍历Map集合时，就可以从每一个键值对对象中获取相应的键与值。之所以被修饰成静态是为了可以用类名直接调用。

每次初始化HashMap都会构造一个table数组，而table数组的元素为Entry节点，它里面包含了键key，值value，下一个节点next，以及hash值。


static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final K key;
        V value;
        Entry<K,V> next;
        int hash;
}

查看hashMap的API发现，它有4个构造函数：

1、构造一个具有默认初始容量 (16) 和默认加载因子 (0.75) 的空 HashMap。

2、指定初始容量和默认加载因子 (0.75) 的空 HashMap。

3、指定初始容量和默认加载因子的空HashMap。

4、构造一个映射关系与指定Map相同的新HashMap。

注意：HashMap使用的是懒加载，构造完HashMap对象后，只要不进行put方法插入元素之前，HashMap并不会去初始化或者扩容table。

Put方法：

首先判断是否是空数组（table == EMPTY_TABLE），如果是，开始初始化HashMap的table数据结构，然后执行扩容函数，如果未指定容量，默认是大小为16的表，然后根据加载因子计算临界值。什么是加载因子呢？hashMap的大小是一定的，如果不够存储了肯定要扩容，那么扩容的依据是什么呢，什么时候确定要扩容了呢？这个时候就需要引入加载因子这个概念，我们假使依旧使用默认大小16，加载因子0.75，那么当hashMap的size大于12（16*0.75=12）的时候，那么就会进行扩容。

回来说put方法，如果key是null，调用putForNullKey方法，保存null与key，这是HashMap允许为null的原因。然后计算hash值和用indexFor计算数据存在的位置，然后从i出开始迭代e,找到 key 保存的位置。

上面说到如果数组扩容，那么每次要怎么扩容呢？

当size大于等于某一个阈值thresholdde时候且该table并不是一个空table，因为size 已经大于等于阈值了，说明Entry数量较多，哈希冲突严重，那么若该Entry对应的桶不是一个空桶，这个Entry的加入必然会把原来的链表拉得更长，因此需要扩容；若对应的桶是一个空桶，那么此时没有必要扩容。如果扩容，table会扩容为原来的两倍，直到达到数组的最大长度1<<30（2的30次方）,如果size大于这个值，那么就直接修改为Integer.MAX_VALUE。扩容后的元素hash值对应的新的桶位置，然后在指定的桶位置上，创建一个新的Entry。

这里需要说明的是，hashmap是可以存放key和value均为null的，存放在table[0]的位置，此时使用put方法在添加元素的时候，如果在table[0]中已经存入key为null的元素则给null赋上新的value值并返回后面的值，否则则初始化null的元素，存入put里面存放的值。


public static void main(String[] args) {
        HashMap hashMap = new HashMap();
        hashMap.put(null, null);
        System.out.println(hashMap.get(null));
        Integer a = (Integer) hashMap.put(null, 1);
        System.out.println(a);
        System.out.println(hashMap.get(null));
}

输出为：
null
null
1

Get方法：

Get比较好理解，判断key是不是null，如果是，返回getForNullKey的函数返回值，如果不是，则在table中去找。

Remove方法：

判断，如果hashMap的size是0，返回null；找到需要移除的元素的前一个节点，然后把前驱节点的next指向删除节点的next节点，此时当前节点没有任何引用指向，它在程序结束之后就会被gc回收。


final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {
    		if (size == 0) {
    		    return null;
    		}
   		 int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
   		 int i = indexFor(hash, table.length);
    		Entry<K,V> prev = table[i];
    		Entry<K,V> e = prev;
		 while (e != null) {
        		Entry<K,V> next = e.next;
       		 Object k;
       		 if (e.hash == hash &&
        		    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
        		    modCount++;
         		   size--;
         		   if (prev == e)
          		      table[i] = next;
         		   else
          		      prev.next = next;
          		  e.recordRemoval(this);
         		   return e;
        		}
        		prev = e;
        		e = next;
   		 }
		 return e;
	}

Map的遍历：

map这里可以用增强for和迭代器两种方式遍历：


import java.util.HashMap;
import java.util.Iterator;
import java.util.Map;
public class MapDemo {
    public static void main(String[] args) {
        HashMap<String, String> sets = new HashMap<>();
        sets.put("username", "value1");
        sets.put("password", "value2");
        sets.put("key3", "value3");
        sets.put("key4", "value4");
        sets.put(null,null);
        // 增强for循环 =========== keySet ===================
        for (String s : sets.keySet()) {
            System.out.println(s + ".." + sets.get(s));
        }
        //================== entrySet ======================
        for (Map.Entry<String, String> m : sets.entrySet()) {
            System.out.println(m.getKey() + ".." + m.getValue());
        }
        // 迭代器 ================ keySet ===================
        Iterator it = sets.keySet().iterator();
        while (it.hasNext()) {
            String key = (String) it.next();
            System.out.println(key + ".." + sets.get(key));
        }
        //================== entrySet ======================
        Iterator<Map.Entry<String, String>> iterator = sets.entrySet().iterator();
        while (iterator.hasNext()) {
            Map.Entry<String, String> m = iterator.next();
            System.out.println(m.getKey() + ".." + m.getValue());
        }
    }
}

TreeMap

这里简要介绍下：TreeMap 是一个有序的key-value集合，继承于AbstractMap，它是通过红黑树实现的。TreeMap 实现了NavigableMap接口，实现了Cloneable接口，实现了java.io.Serializable接口。

TreeMap基于红黑树（Red-Black tree）实现。该映射根据其键的自然顺序进行排序，或者根据创建映射时提供的 Comparator 进行排序，具体取决于使用的构造方法。TreeMap的基本操作 containsKey、get、put 和 remove 的时间复杂度是 log(n) 。另外，TreeMap是非同步的。它的iterator 方法返回的迭代器是fail-fastl的。

红黑树（Red Black Tree）是一种自平衡二叉查找树，是在计算机科学中用到的一种数据结构，典型的用途是实现关联数组。它有五个特点如下：

性质1：节点是红色或黑色。

性质2：根节点是黑色。

性质3：每个叶节点（NIL节点，空节点）是黑色的。

性质4：每个红色节点的两个子节点都是黑色。(从每个叶子到根的所有路径上不能有两个连续的红色节点)。

性质5：从任一节点到其每个叶子的所有路径都包含相同数目的黑色节点。

详细了解请点击。

LinkedHashMap：

HashMap是无序的，只要不涉及线程安全问题，Map基本都可以使用HashMap。如果我们期待一个有序的Map，这个时候，LinkedHashMap就派上用场了，它虽然增加了时间和空间上的开销，但是通过维护一个运行于所有条目的双向链表，LinkedHashMap保证了元素迭代的顺序，该迭代顺序可以是插入顺序或者是访问顺序。那么是如何维护的呢，首先参考HashMap的存储结构，将其中的Entry元素增加一个pre指针和一个next指针，这样，根据插入元素的顺序将各个元素依次连接起来，这样LinkedHashMap就保证了元素的顺序。

继承自HashMap，实现了Map接口，LinkedHashMap重写了父类HashMap的get方法，实际在调用父类getEntry()方法取得查找的元素后，再判断当排序模式accessOrder为true时（即按访问顺序排序），先将当前节点从链表中移除，然后再将当前节点插入到链表尾部。

实现LRU缓存：

LinkedHashMap和HashMap+LinkedList的操作都是类似的，LRU缓存是我最近看到一个很巧妙的东西，所以推荐大家看一下这篇文章。

对比下Hashmap、Hashtable和ConcurrentHashmap：

第一、Hashmap是线程不安全的，Hashtable和ConcurrentHashMap是线程安全的，在Hashtable中使用了关键字synchronized修饰，加上了同步锁;ConcurrentHashMap在JDK1.7中采用了锁分离的技术，每一个Segment都独立上锁，保证了并发的安全性；每一个Segment元素存储的是HashEntry数组+ 链表，Segment的大小是一开始就确定的，后期不能再进行扩容，但是单个Segment里面的数组是可以扩容的。

但是在JDK1.8上则摒弃了Segment的概念，而是直接用Node数组+链表+红黑树的数据结构来实现，如下图所示，并发控制使用Synchronized和CAS来操作，每一个Node节点都是用volatile修饰的，整个看起来就像是优化过且线程安全的HashMap。

第二、Hashmap是可以存放key和value均为null的，存放在table[0]的位置，此时使用put方法在添加元素的时候，如果在table[0]中已经存入key为null的元素则给null赋上新的value值并返回后面的值，否则则初始化null的元素，存入put里面存放的值。Hashtable和ConcurrentHashMap是不可以存放null的key或者value的，原因和并发状态下的操作有关，当在并发状态下执行无法分辨是key没找到的null还是有key值为null，这在多线程里面是模糊不清的，所以不允许put、get为null的元素，如果强行操作就会报空指针异常。