Java集合框架总结2_Map

Posted 2020-11-15 itzhouq

1. Map接口概述

• Map与Collection并列存在。用于保存具有映射关系的数据：key-value；
• Map中的key和value都可以是任何应用类型的数据；
• Map中的key用Set来存放，不允许重复，即同一个Map对象所对应的类，须重写hashCode()和equals()方法；
• 常用String类作为Map的“键”；
• key和value之间存在单向一对一关系，即通过指定的key总能找到唯一的、确定的value；
• Map接口的常用实现类：HashMap、TreeMap、LinkedHashMap和Properties。其中HashMap是Map接口中使用频率最高的实现类。

---

1.1 Map接口：常用方法

• 添加、删除、修改操作
  • Object put(Object key, Object value)：将指定key-value添加到（或）修改当前map对象中；
  • void putAll(Map m)：将m中的所有key-value对存放在当前的map中；
  • Object remove(Object key)：移除指定key的key-value对，并返回value；
  • void clear()：清空当前map中的所有数据。
• 元素查询的操作：
  • Object get(Object key)：获得指定key对应的value；
  • boolean containsKey(Object key)：是否包含指定的key；
  • boolean containsValue(Object value)：是否包含指定的value；
  • int size()：返回map中key-value对的个数；
  • boolean isEmpty()：判断当前map是否为空；
  • boolean equals(Object obj)：判断当前map和参数对象obj是否相等。
• 元视图操作的方法：
  • Set keySet()：返回所有key构成的Set集合；
  • Collection values()：返回所有value构成的Collection集合；
  • Set entrySet()：返回所有key-value对构成的Set集合。

Map map = new HashMap();
//map.put(..,..)省略
System.out.println("map的所有key:");
Set keys = map.keySet();// HashSet
for (Object key : keys) {
    System.out.println(key + "->" + map.get(key));
}
System.out.println("map的所有的value：");
Collection values = map.values();
Iterator iter = values.iterator();
while (iter.hasNext()) {
    System.out.println(iter.next());
}
System.out.println("map所有的映射关系：");
// 映射关系的类型是Map.Entry类型，它是Map接口的内部接口
Set mappings = map.entrySet();
for (Object mapping : mappings) {
    Map.Entry entry = (Map.Entry) mapping;
    System.out.println("key是：" + entry.getKey() + "，value是：" + entry.getValue());
}

---

2. Map接口实现类之一：HashMap

2. 1 概述

• HashMap是 Map 接口 使用频率最高的实现类。
• 允许使用null键和null值，与HashSet一样，不保证映射的顺序。
• 所有的key构成的集合是Set：无序的、不可重复的。所以，key所在的类要重写：equals()和hashCode()
• 所有的value构成的集合是Collection：无序的、可以重复的。所以，value所在的类要重写：equals()
• 一个key-value构成一个entry
• 所有的entry构成的集合是Set：无序的、不可重复的
• HashMap 判断两个 key 相等的标准是：两个 key 通过 equals() 方法返回 true，hashCode 值也相等。
• HashMap 判断两个 value 相等的标准是：两个 value 通过 equals() 方法返回 true。

2. 2 HashMap的存储结构

JDK7及以前版本：HashMap是数组+链表结构（即为链地址法）；

JDK8版本发布以后：HashMap是数组+链表+红黑树实现。

2. 3 存储结构说明：JDK8之前

• HashMap的内部存储结构其实是 数组和链表的结合。当实例化一个HashMap时，系统会创建一个长度为Capacity的Entry数组，这个长度在哈希表中被称为容量(Capacity)，在这个数组中可以存放元素的位置我们称之为“桶”(bucket)，每个bucket都有自己的索引，系统可以根据索引快速的查找bucket中的元素。
• 每个bucket中存储一个元素，即一个Entry对象，但每一个Entry对象可以带一个引用变量，用于指向下一个元素，因此，在一个桶中，就有可能生成一个Entry链。而且新添加的元素作为链表的head。

• 添加元素的过程：
  向HashMap中添加entry1(key，value)，需要首先计算entry1中key的哈希值(根据key所在类的hashCode()计算得到)，此哈希值经过处理以后，得到在底层Entry[]数组中要存储的位置i。如果位置i上没有元素，则entry1直接添加成功。如果位置i上已经存在entry2(或还有链表存在的entry3，entry4)，则需要通过循环的方法，依次比较entry1中key和其他的entry。如果彼此hash值不同，则直接添加成功。如果hash值不同，继续比较二者是否equals。如果返回值为true，则使用entry1的value去替换equals为true的entry的value。如果遍历一遍以后，发现所有的equals返回都为false,则entry1仍可添加成功。entry1指向原有的entry元素。

• HashMap 的扩容：
  当HashMap中的元素越来越多的时候，hash冲突的几率也就越来越高，因为数组的长度是固定的。所以为了提高查询的效率，就要对HashMap的数组进行扩容，而在HashMap数组扩容之后，最消耗性能的点就出现了：原数组中的数据必须重新计算其在新数组中的位置，并放进去，这就是resize。

• 那么HashMap 什么时候进行扩容呢 ？

  当HashMap中的元素个数超过数组大小(数组总大小length,不是数组中个数size)loadFactor 时 ， 就 会 进 行 数 组 扩 容 ， loadFactor 的 默 认 值(DEFAULT_LOAD_FACTOR)为0.75，这是一个折中的取值。也就是说，默认情况下，数组大小(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)为16，那么当HashMap中元素个数超过160.75=12（这个值就是代码中的threshold值，也叫做临界值）的时候，就把数组的大小扩展为 2*16=32，即扩大一倍，然后重新计算每个元素在数组中的位置，而这是一个非常消耗性能的操作，所以如果我们已经预知HashMap中元素的个数，那么预设元素的个数能够有效的提高HashMap的性能。

2. 4 存储结构说明：JDK8之前

• HashMap的内部存储结构其实是 数组+ 链表+ 树 的结合。当实例化一个HashMap时，会初始化initialCapacity和loadFactor，在put第一对映射关系时，系统会创建一个长度为initialCapacity的Node数组，这个长度在哈希表中被称为容量(Capacity)，在这个数组中可以存放元素的位置我们称之为“桶”(bucket)，每个bucket都有自己的索引，系统可以根据索引快速的查找bucket中的元素。

• 每个bucket中存储一个元素，即一个Node对象，但每一个Node对象可以带一个引用变量next，用于指向下一个元素，因此，在一个桶中，就有可能生成一个Node链。也可能是一个一个TreeNode对象，每一个TreeNode对象可以有两个叶子结点left和right，因此，在一个桶中，就有可能生成一个TreeNode树。而新添加的元素作为链表的last，或树的叶子结点。

• 那么HashMap什么时候进行扩容和树形化呢 ？

  当HashMap中的元素个数超过数组大小(数组总大小length,不是数组中个数size)loadFactor 时 ， 就 会 进 行 数 组 扩 容 ， loadFactor 的 默 认 值(DEFAULT_LOAD_FACTOR)为0.75，这是一个折中的取值。也就是说，默认情况下，数组大小(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)为16，那么当HashMap中元素个数超过160.75=12（这个值就是代码中的threshold值，也叫做临界值）的时候，就把数组的大小扩展为 2*16=32，即扩大一倍，然后重新计算每个元素在数组中的位置，而这是一个非常消耗性能的操作，所以如果我们已经预知HashMap中元素的个数，那么预设元素的个数能够有效的提高HashMap的性能。

  当HashMap中的其中一个链的对象个数如果达到了8个，此时如果capacity没有达到64，那么HashMap会先扩容解决，如果已经达到了64，那么这个链会变成树，结点类型由Node变成TreeNode类型。当然，如果当映射关系被移除后，下次resize方法时判断树的结点个数低于6个，也会把树再转为链表。

• 关于映射关系的key 是否可以修改 ？answer ：不要修改
  映射关系存储到HashMap中会存储key的hash值，这样就不用在每次查找时重新计算每一个Entry或ode（TreeNode）的hash值了，因此如果已经put到Map中的映射关系，再修改key的属性，而这个属性又参与hashcode值的计算，那么会导致匹配不上。
• 总结：JDK1.8 相较于之前的变化：
  1. HashMap map = new HashMap();//默认情况下，先不创建长度为16的数组
  2. 当首次调用map.put()时，再创建长度为16的数组
  3. 数组为Node类型，在jdk7中称为Entry类型
  4. 形成链表结构时，新添加的key-value对在链表的尾部（七上八下）
  5. 当数组指定索引位置的链表长度>8时，且map中的数组的长度> 64时，此索引位置上的所有key-value对使用红黑树进行存储。

2. 5 面试题：HashMap的底层实现原理

/**  HashMap的底层实现原理？以jdk7为例说明：
 *      HashMap map = new HashMap():
 *      在实例化以后，底层创建了长度是16的一维数组Entry[] table。
 *      ...可能已经执行过多次put...
 *      map.put(key1,value1):
 *      首先，调用key1所在类的hashCode()计算key1哈希值，此哈希值经过某种算法计算以后，得到在Entry数组中的存放位置。
 *      如果此位置上的数据为空，此时的key1-value1添加成功。 ----情况1
 *      如果此位置上的数据不为空，(意味着此位置上存在一个或多个数据(以链表形式存在)),比较key1和已经存在的一个或多个数据
 *      的哈希值：
 *              如果key1的哈希值与已经存在的数据的哈希值都不相同，此时key1-value1添加成功。----情况2
 *              如果key1的哈希值和已经存在的某一个数据(key2-value2)的哈希值相同，继续比较：调用key1所在类的equals(key2)方法，比较：
 *                      如果equals()返回false:此时key1-value1添加成功。----情况3
 *                      如果equals()返回true:使用value1替换value2。
 *
 *       补充：关于情况2和情况3：此时key1-value1和原来的数据以链表的方式存储。
 *
 *      在不断的添加过程中，会涉及到扩容问题，当超出临界值(且要存放的位置非空)时，扩容。默认的扩容方式：扩容为原来容量的2倍，并将原有的数据复制过来。
 *
 *      jdk8 相较于jdk7在底层实现方面的不同：
 *      1. new HashMap():底层没有创建一个长度为16的数组
 *      2. jdk 8底层的数组是：Node[],而非Entry[]
 *      3. 首次调用put()方法时，底层创建长度为16的数组
 *      4. jdk7底层结构只有：数组+链表。jdk8中底层结构：数组+链表+红黑树。
 *         4.1 形成链表时，七上八下（jdk7:新的元素指向旧的元素。jdk8：旧的元素指向新的元素）
           4.2 当数组的某一个索引位置上的元素以链表形式存在的数据个数 > 8 且当前数组的长度 > 64时，此时此索引位置上的所数据改为使用红黑树存储。
 *
 *      DEFAULT_INITIAL_CAPACITY : HashMap的默认容量，16
 *      DEFAULT_LOAD_FACTOR：HashMap的默认加载因子：0.75
 *      threshold：扩容的临界值，=容量*填充因子：16 * 0.75 => 12
 *      TREEIFY_THRESHOLD：Bucket中链表长度大于该默认值，转化为红黑树:8
 *      MIN_TREEIFY_CAPACITY：桶中的Node被树化时最小的hash表容量:64
 */

---

3. Map接口实现类之二：LinkedHashMap

• LinkedHashMap 是 HashMap 的子类；
• 在HashMap存储结构的基础上，使用了一对双向链表来记录添加元素的顺序；

• 与LinkedHashSet类似，LinkedHashMap 可以维护 Map 的迭代顺序：迭代顺序与 Key-Value 对的插入顺序一致。

• HashMap中的内部类：Node

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

• LinkedHashMap中的内部类：Entry

  static class Entry<K,V> extends HashMap.Node<K,V> {
      Entry<K,V> before, after;
      Entry(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
      super(hash, key, value, next);
      }
  }

---

4. Map接口的实现类之三：TreeMap

• TreeMap存储 Key-Value 对时，需要根据 key-value 对进行排序。TreeMap 可以保证所有的 Key-Value 对处于 有序状态；
• TreeSet底层使用 红黑树结构存储数据；
• TreeMap 的 Key 的排序：
  • 自然排序：TreeMap 的所有的 Key 必须实现 Comparable 接口，而且所有的 Key 应该是同一个类的对象，否则将会抛出 ClasssCastException；
  • 定制排序：创建 TreeMap 时，传入一个 Comparator 对象，该对象负责对TreeMap 中的所有 key 进行排序。此时不需要 Map 的 Key 实现Comparable 接口；
• TreeMap判断 两个key 相等的标准：两个key通过compareTo()方法或者compare()方法返回0。

---

5. Map接口实现类之四：Hashtable

• Hashtable是个古老的 Map 实现类，JDK1.0就提供了。不同于HashMap，Hashtable是线程安全的。
• Hashtable实现原理和HashMap相同，功能相同。底层都使用哈希表结构，查询速度快，很多情况下可以互用。
• 与HashMap不同，Hashtable 不允许使用 null 作为 key 和 value
• 与HashMap一样，Hashtable 也不能保证其中 Key-Value 对的顺序
• Hashtable判断两个key相等、两个value相等的标准，与HashMap一致。

---

6. Map接口实现类之五：Properties

• Properties 类是 Hashtable 的子类，该对象用于处理属性文件；

• 由于属性文件里的 key、value 都是字符串类型，所以 Properties 里的 key和 value 都是字符串类型；

• 存取数据时，建议使用setProperty(String key,String value)方法和getProperty(String key)方法。

  Properties pros = new Properties();
  pros.load(new FileInputStream("jdbc.properties"));
  String user = pros.getProperty("user");
  System.out.println(user);

---

7. Collections工具类

• Collections 是一个操作 Set、List 和 Map 等集合的工具类；
• Collections 中提供了一系列静态的方法对集合元素进行排序、查询和修改等操作，还提供了对集合对象设置不可变、对集合对象实现同步控制等方法
• 排序操作：为 （均为static 方法）
  • reverse(List)：反转 List 中元素的顺序；
  • shuffle(List)：对 List 集合元素进行随机排序；
  • sort(List)：根据元素的自然顺序对指定 List 集合元素按升序排序；
  • sort(List，Comparator)：根据指定的 Comparator 产生的顺序对 List 集合元素进行排序；
  • swap(List，int， int)：将指定 list 集合中的 i 处元素和 j 处元素进行交换。
• 查找、替换
  • Object max(Collection)：根据元素的自然顺序，返回给定集合中的最大元素；
  • Object max(Collection，Comparator)：根据 Comparator 指定的顺序，返回给定集合中的最大元素；
  • Object min(Collection)；
  • Object min(Collection，Comparator)；
  • int frequency(Collection，Object)：返回指定集合中指定元素的出现次数；
  • void copy(List dest,List src)：将src中的内容复制到dest中；
  • boolean replaceAll(List list，Object oldVal，Object newVal)：使用新值替换List 对象的所有旧值。

Java集合参考资料