面试半年！三面阿里，四面蚂蚁金服，居然倒在了一个Java集合之Map上？

Posted 2020-12-16 前程有光

Map接口

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都可以是任何引用类型的数据
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接口使用频率最高的实现类

1. 常见实现类结构

 

|----Map:双列数据，存储key-value对的数据   ---类似于高中的函数：y = f(x)
     |----HashMap:作为Map的主要实现类；线程不安全的，效率高；存储null的key和value
          |----LinkedHashMap:保证在遍历map元素时，可以照添加的顺序实现遍历。
                    原因：在原的HashMap底层结构基础上，添加了一对指针，指向前一个和后一个元素。
                    对于频繁的遍历操作，此类执行效率高于HashMap。
     |----TreeMap:保证照添加的key-value对进行排序，实现排序遍历。此时考虑key的自然排序或定制排序
                      底层使用红黑树
     |----Hashtable:作为古老的实现类；线程安全的，效率低；不能存储null的key和value
          |----Properties:常用来处理配置文件。key和value都是String类型
 
 
HashMap的底层： 数组+链表  （JDK 7.0及之前)
               数组+链表+红黑树 （JDK 8.0以后)

　　

1.1 HashMap

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.

代码示例：

@Test
public void test1(){
    Map map = new HashMap();
 
    map.put(null,123);
 
}

　　

1.2 LinkedHashMap

LinkedHashMap底层使用的结构与HashMap相同，因为LinkedHashMap继承于HashMap.
区别就在于：LinkedHashMap内部提供了Entry，替换HashMap中的Node.
与Linkedhash Set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
代码示例：

@Test
public void test2(){
    Map map = new LinkedHashMap();
    map.put(123,"AA");
    map.put(345,"BB");
    map.put(12,"CC");
 
    System.out.println(map);
} 

　　

1.3 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.

1.4 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-致.

1.5 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

代码示例：

//Properties:常用来处理配置文件。key和value都是String类型
public static void main(String[] args)  {
    FileInputStream fis = null;
    try {
        Properties pros = new Properties();
 
        fis = new FileInputStream("jdbc.properties");
        pros.load(fis);//加载流对应的文件
 
        String name = pros.getProperty("name");
        String password = pros.getProperty("password");
 
        System.out.println("name = " + name + ", password = " + password);
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    } finally {
        if(fis != null){
            try {
                fis.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
 
        }
    }
 
}

　　

2. 存储结构的理解：

Map中的key:无序的、不可重复的，使用Set存储所的key ---> key所在的类要重写equals()和hashCode() （以HashMap为例)
Map中的value:无序的、可重复的，使用Collection存储所的value --->value所在的类要重写equals()
一个键值对：key-value构成了一个Entry对象。
Map中的entry:无序的、不可重复的，使用Set存储所的entry

 

3. 常用方法

3.1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对存放到当前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
代码示例：

@Test
public void test1() {
    Map map = new HashMap();
    //Object put(Object key,Object value)：将指定key-value添加到(或修改)当前map对象中
    map.put("AA",123);
    map.put("ZZ",251);
    map.put("CC",110);
    map.put("RR",124);
    map.put("FF",662);
    System.out.println(map);//{AA=123, ZZ=251, CC=110, RR=124, FF=662}
 
    //Object put(Object key,Object value)：将指定key-value添加到(或修改)当前map对象中
    map.put("ZZ",261);
    System.out.println(map);//{AA=123, ZZ=261, CC=110, RR=124, FF=662}
 
    //void putAll(Map m):将m中的所有key-value对存放到当前map中
    HashMap map1 = new HashMap();
    map1.put("GG",435);
    map1.put("DD",156);
    map.putAll(map1);
    System.out.println(map);//{AA=123, ZZ=261, CC=110, RR=124, FF=662, GG=435, DD=156}
 
    //Object remove(Object key)：移除指定key的key-value对，并返回value
    Object value = map.remove("GG");
    System.out.println(value);//435
    System.out.println(map);//{AA=123, ZZ=261, CC=110, RR=124, FF=662, DD=156}
 
    //void clear()：清空当前map中的所有数据
    map.clear();
    System.out.println(map.size());//0  与map = null操作不同
    System.out.println(map);//{}
}

　　

3.2元素查询的操作：

Object get(Object key)：获取指定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
代码示例：

@Test
public void test2() {
    Map map = new HashMap();
    map.put("AA", 123);
    map.put("ZZ", 251);
    map.put("CC", 110);
    map.put("RR", 124);
    map.put("FF", 662);
    System.out.println(map);//{AA=123, ZZ=251, CC=110, RR=124, FF=662}
    //Object get(Object key)：获取指定key对应的value
    System.out.println(map.get("AA"));//123
 
    //boolean containsKey(Object key)：是否包含指定的key
    System.out.println(map.containsKey("ZZ"));//true
 
    //boolean containsValue(Object value)：是否包含指定的value
    System.out.println(map.containsValue(123));//true
 
    //int size()：返回map中key-value对的个数
    System.out.println(map.size());//5
 
    //boolean isEmpty()：判断当前map是否为空
    System.out.println(map.isEmpty());//false
 
    //boolean equals(Object obj)：判断当前map和参数对象obj是否相等
    Map map1 = new HashMap();
    map1.put("AA", 123);
    map1.put("ZZ", 251);
    map1.put("CC", 110);
    map1.put("RR", 124);
    map1.put("FF", 662);
    System.out.println(map.equals(map1));//true
}

　　

3.3 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
代码示例：

@Test
public void test3() {
    Map map = new HashMap();
    map.put("AA", 123);
    map.put("ZZ", 251);
    map.put("CC", 110);
    map.put("RR", 124);
    map.put("FF", 662);
    System.out.println(map);//{AA=123, ZZ=251, CC=110, RR=124, FF=662}
    //遍历所有的key集:Set keySet()：返回所有key构成的Set集合
    Set set = map.keySet();
    Iterator iterator = set.iterator();
    while (iterator.hasNext()) {
        System.out.println(iterator.next());
    }
    System.out.println("--------------");
    //遍历所有的value集：Collection values()：返回所有value构成的Collection集合
    Collection values = map.values();
    for (Object obj :
         values) {
        System.out.println(obj);
    }
    System.out.println("---------------");
    //Set entrySet()：返回所有key-value对构成的Set集合
    Set entrySet = map.entrySet();
    Iterator iterator1 = entrySet.iterator();
    //方式一：
    while (iterator1.hasNext()) {
        Object obj = iterator1.next();
        //entrySet集合中的元素都是entry
        Map.Entry entry = (Map.Entry) obj;
        System.out.println(entry.getKey() + "-->" + entry.getValue());
    }
    System.out.println("--------------");
 
    //方式二：
    Set keySet = map.keySet();
    Iterator iterator2 = keySet.iterator();
    while (iterator2.hasNext()) {
        Object key = iterator2.next();
        Object value = map.get(key);
        System.out.println(key + "==" + value);
    }
}

　　

总结：常用方法：

添加：put(Object key,Object value)
删除：remove(Object key)
修改：put(Object key,Object value)
查询：get(Object key)
长度：size()
遍历：keySet() / values() / entrySet()

4. 内存结构说明：（难点）

4.1 HashMap在JDK 7.0中实现原理：

4.1.1 HashMap的存储结构：

JDK 7.0及以前的版本：HashMap是数组+链表结构（地址链表法）

JDK 8.0版本以后：HashMap是数组+链表+红黑树实现

 

4.1.2 对象创建和添加过程：

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。

4.1.3 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，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。

4.1.4 HashMap扩容时机

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）* 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16 * 0.75=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。

4.2 HashMap在JDK 8.0底层实现原理：

4.2.1 HashMap的存储结构：

HashMap的内部存储结构其实是数组+链表+红黑树的组合。

4.2.2 HashMap添加元素的过程：

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Noe对象可以带个引用变量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Tree node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。

4.2.3 HashMap的扩容机制:

当HashMapl中的其中一个链的对象个数没有达到8个和JDK 7.0以前的扩容方式一样。
当HashMapl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 Tree Node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。

4.2.4 JDK 8.0与JDK 7.0中HashMap底层的变化：

new HashMap():底层没有创建一个长度为16的数组

JDK 8.0底层的数组是：Node[],而非Entry[]

首次调用put()方法时，底层创建长度为16的数组

JDK 7.0底层结构只有：数组+链表。JDK 8.0中底层结构：数组+链表+红黑树。

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）
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。

4.3 HashMap底层典型属性的属性的说明：

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:JDK 8.0引入
MIN_TREEIFY_CAPACITY：桶中的Node被树化时最小的hash表容量:64

4.4 LinkedHashMap的底层实现原理

LinkedHashMap底层使用的结构与HashMap相同，因为LinkedHashMap继承于HashMap.
区别就在于：LinkedHashMap内部提供了Entry，替换HashMap中的Node.
与Linkedhash Set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中内部类Node源码：

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

　　

LinkedHashM中内部类Entry源码：

static class Entry<K,V> extends HashMap.Node<K,V> {
    Entry<K,V> before, after;//能够记录添加的元素的先后顺序
    Entry(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
        super(hash, key, value, next);
    }
}

　　

5. TreeMap的使用

向TreeMap中添加key-value，要求key必须是由同一个类创建的对象 要照key进行排序：自然排序 、定制排序

代码示例：

//自然排序
@Test
public void test() {
    TreeMap map = new TreeMap();
    User u1 = new User("Tom", 23);
    User u2 = new User("Jarry", 18);
    User u3 = new User("Bruce", 56);
    User u4 = new User("Davie", 23);
 
    map.put(u1, 98);
    map.put(u2, 16);
    map.put(u3, 92);
    map.put(u4, 100);
 
    Set entrySet = map.entrySet();
    Iterator iterator = entrySet.iterator();
    while (iterator.hasNext()) {
        Object obj = iterator.next();
        Map.Entry entry = (Map.Entry) obj;
        System.out.println(entry.getKey() + "=" + entry.getValue());
    }
}
 
//定制排序：按照年龄大小排
@Test
public void test2() {
    TreeMap map = new TreeMap(new Comparator() {
        @Override
        public int compare(Object o1, Object o2) {
            if (o1 instanceof User && o2 instanceof User) {
                User u1 = (User) o1;
                User u2 = (User) o2;
                return Integer.compare(u1.getAge(), u2.getAge());
            }
            throw new RuntimeException("输入数据类型错误");
        }
    });
    User u1 = new User("Tom", 23);
    User u2 = new User("Jarry", 18);
    User u3 = new User("Bruce", 56);
    User u4 = new User("Davie", 23);
 
    map.put(u1, 98);
    map.put(u2, 16);
    map.put(u3, 92);
    map.put(u4, 100);
 
    Set entrySet = map.entrySet();
    Iterator iterator = entrySet.iterator();
    while (iterator.hasNext()) {
        Object obj = iterator.next();
        Map.Entry entry = (Map.Entry) obj;
        System.out.println(entry.getKey() + "=" + entry.getValue());
    }
}

　　

6.使用Properties读取配置文件

代码示例：

//Properties:常用来处理配置文件。key和value都是String类型
public static void main(String[] args)  {
    FileInputStream fis = null;
    try {
        Properties pros = new Properties();
 
        fis = new FileInputStream("jdbc.properties");
        pros.load(fis);//加载流对应的文件
 
        String name = pros.getProperty("name");
        String password = pros.getProperty("password");
 
        System.out.println("name = " + name + ", password = " + password);
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    } finally {
        if(fis != null){
            try {
                fis.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
 
        }
    }
 
}

　　

最后

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