Java 集合系列14之 Map总结(HashMap, Hashtable, TreeMap, WeakHashMap等使用场景)

Posted 2020-06-14

概要

学完了Map的全部内容，我们再回头开开Map的框架图。

 

本章内容包括：
第1部分 Map概括
第2部分 HashMap和Hashtable异同
第3部分 HashMap和WeakHashMap异同

转载：http://www.cnblogs.com/skywang12345/admin/EditPosts.aspx?postid=3311126

 

第1部分 Map概括

(01) Map 是“键值对”映射的抽象接口。
(02) AbstractMap 实现了Map中的绝大部分函数接口。它减少了“Map的实现类”的重复编码。
(03) SortedMap 有序的“键值对”映射接口。
(04) NavigableMap 是继承于SortedMap的，支持导航函数的接口。
(05) HashMap, Hashtable, TreeMap, WeakHashMap这4个类是“键值对”映射的实现类。它们各有区别！

　　HashMap 是基于“拉链法”实现的散列表。一般用于单线程程序中。
　　Hashtable 也是基于“拉链法”实现的散列表。它一般用于多线程程序中。
　　WeakHashMap 也是基于“拉链法”实现的散列表，它一般也用于单线程程序中。相比HashMap，WeakHashMap中的键是“弱键”，当“弱键”被GC回收时，它对应的键值对也会被从WeakHashMap中删除；而HashMap中的键是强键。
　　TreeMap 是有序的散列表，它是通过红黑树实现的。它一般用于单线程中存储有序的映射。

 

第2部分 HashMap和Hashtable异同

第2.1部分 HashMap和Hashtable的相同点

HashMap和Hashtable都是存储“键值对(key-value)”的散列表，而且都是采用拉链法实现的。
存储的思想都是：通过table数组存储，数组的每一个元素都是一个Entry；而一个Entry就是一个单向链表，Entry链表中的每一个节点就保存了key-value键值对数据。

添加key-value键值对：首先，根据key值计算出哈希值，再计算出数组索引(即，该key-value在table中的索引)。然后，根据数组索引找到Entry(即，单向链表)，再遍历单向链表，将key和链表中的每一个节点的key进行对比。若key已经存在Entry链表中，则用该value值取代旧的value值；若key不存在Entry链表中，则新建一个key-value节点，并将该节点插入Entry链表的表头位置。
删除key-value键值对：删除键值对，相比于“添加键值对”来说，简单很多。首先，还是根据key计算出哈希值，再计算出数组索引(即，该key-value在table中的索引)。然后，根据索引找出Entry(即，单向链表)。若节点key-value存在与链表Entry中，则删除链表中的节点即可。

上面介绍了HashMap和Hashtable的相同点。正是由于它们都是散列表，我们关注更多的是“它们的区别，以及它们分别适合在什么情况下使用”。那接下来，我们先看看它们的区别。

 

第2.2部分 HashMap和Hashtable的不同点

1 继承和实现方式不同

HashMap 继承于AbstractMap，实现了Map、Cloneable、java.io.Serializable接口。
Hashtable 继承于Dictionary，实现了Map、Cloneable、java.io.Serializable接口。

HashMap的定义:

public class HashMap<K,V>
    extends AbstractMap<K,V>
    implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable { ... }

Hashtable的定义:

public class Hashtable<K,V>
    extends Dictionary<K,V>
    implements Map<K,V>, Cloneable, java.io.Serializable { ... }

从中，我们可以看出：
1.1 HashMap和Hashtable都实现了Map、Cloneable、java.io.Serializable接口。
      实现了Map接口，意味着它们都支持key-value键值对操作。支持“添加key-value键值对”、“获取key”、“获取value”、“获取map大小”、“清空map”等基本的key-value键值对操作。
      实现了Cloneable接口，意味着它能被克隆。
      实现了java.io.Serializable接口，意味着它们支持序列化，能通过序列化去传输。

1.2 HashMap继承于AbstractMap，而Hashtable继承于Dictionary
      Dictionary是一个抽象类，它直接继承于Object类，没有实现任何接口。Dictionary类是JDK 1.0的引入的。虽然Dictionary也支持“添加key-value键值对”、“获取value”、“获取大小”等基本操作，但它的API函数比 Map少；而且             Dictionary一般是通过Enumeration(枚举类)去遍历，Map则是通过Iterator(迭代器)去遍历。 然而‘由于Hashtable也实现了Map接口，所以，它即支持Enumeration遍历，也支持Iterator遍历。关于这点，后面还会进一步说 明。
      AbstractMap是一个抽象类，它实现了Map接口的绝大部分API函数；为Map的具体实现类提供了极大的便利。它是JDK 1.2新增的类。

 

2 线程安全不同

Hashtable的几乎所有函数都是同步的，即它是线程安全的，支持多线程。
而HashMap的函数则是非同步的，它不是线程安全的。 若要在多线程中使用HashMap，需要我们额外的进行同步处理。 对HashMap的同步处理可以使用Collections类提供的synchronizedMap静态方法，或者直接使用JDK 5.0之后提供的java.util.concurrent包里的ConcurrentHashMap类。

3 对null值的处理不同

HashMap的key、value都可以为null。
Hashtable的key、value都不可以为null。

我们先看看HashMap和Hashtable “添加key-value”的方法

HashMap的添加key-value的方法

 1 // 将“key-value”添加到HashMap中
 2 public V put(K key, V value) {
 3     // 若“key为null”，则将该键值对添加到table[0]中。
 4     if (key == null)
 5         return putForNullKey(value);
 6     // 若“key不为null”，则计算该key的哈希值，然后将其添加到该哈希值对应的链表中。
 7     int hash = hash(key.hashCode());
 8     int i = indexFor(hash, table.length);
 9     for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
10         Object k;
11         // 若“该key”对应的键值对已经存在，则用新的value取代旧的value。然后退出！
12         if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
13             V oldValue = e.value;
14             e.value = value;
15             e.recordAccess(this);
16             return oldValue;
17         }
18     }
19 
20     // 若“该key”对应的键值对不存在，则将“key-value”添加到table中
21     modCount++;
22     addEntry(hash, key, value, i);
23     return null;
24 }
25 
26 // putForNullKey()的作用是将“key为null”键值对添加到table[0]位置
27 private V putForNullKey(V value) {
28     for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
29         if (e.key == null) {
30             V oldValue = e.value;
31             e.value = value;
32             // recordAccess()函数什么也没有做
33             e.recordAccess(this);
34             return oldValue;
35         }
36     }
37     // 添加第1个“key为null”的元素都table中的时候，会执行到这里。
38     // 它的作用是将“设置table[0]的key为null，值为value”。
39     modCount++;
40     addEntry(0, null, value, 0);
41     return null;
42 }

Hashtable的添加key-value的方法

 1 // 将“key-value”添加到Hashtable中
 2 public synchronized V put(K key, V value) {
 3     // Hashtable中不能插入value为null的元素！！！
 4     if (value == null) {
 5         throw new NullPointerException();
 6     }
 7 
 8     // 若“Hashtable中已存在键为key的键值对”，
 9     // 则用“新的value”替换“旧的value”
10     Entry tab[] = table;
11     // Hashtable中不能插入key为null的元素！！！
12     // 否则，下面的语句会抛出异常！
13     int hash = key.hashCode();
14     int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
15     for (Entry<K,V> e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) {
16         if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {
17             V old = e.value;
18             e.value = value;
19             return old;
20         }
21     }
22 
23     // 若“Hashtable中不存在键为key的键值对”，
24     // (01) 将“修改统计数”+1
25     modCount++;
26     // (02) 若“Hashtable实际容量” > “阈值”(阈值=总的容量 * 加载因子)
27     //  则调整Hashtable的大小
28     if (count >= threshold) {
29         // Rehash the table if the threshold is exceeded
30         rehash();
31 
32         tab = table;
33         index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
34     }
35 
36     // (03) 将“Hashtable中index”位置的Entry(链表)保存到e中 Entry<K,V> e = tab[index];
37     // (04) 创建“新的Entry节点”，并将“新的Entry”插入“Hashtable的index位置”，并设置e为“新的Entry”的下一个元素(即“新Entry”为链表表头)。        
38     tab[index] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
39     // (05) 将“Hashtable的实际容量”+1
40     count++;
41     return null;
42 }

根据上面的代码，我们可以看出：

Hashtable的key或value，都不能为null！否则，会抛出异常NullPointerException。
HashMap的key、value都可以为null。 当HashMap的key为null时，HashMap会将其固定的插入table[0]位置(即HashMap散列表的第一个位置)；而且 table[0]处只会容纳一个key为null的值，当有多个key为null的值插入的时候，table[0]会保留最后插入的value。

 

4 支持的遍历种类不同

HashMap只支持Iterator(迭代器)遍历。
而Hashtable支持Iterator(迭代器)和Enumeration(枚举器)两种方式遍历。

Enumeration 是JDK 1.0添加的接口，只有hasMoreElements(), nextElement() 两个API接口，不能通过Enumeration()对元素进行修改 。
而Iterator 是JDK 1.2才添加的接口，支持hasNext(), next(), remove() 三个API接口。HashMap也是JDK 1.2版本才添加的，所以用Iterator取代Enumeration，HashMap只支持Iterator遍历。

 

5 通过Iterator迭代器遍历时，遍历的顺序不同

HashMap是“从前向后”的遍历数组；再对数组具体某一项对应的链表，从表头开始进行遍历。
Hashtabl是“从后往前”的遍历数组；再对数组具体某一项对应的链表，从表头开始进行遍历。

HashMap和Hashtable都实现Map接口，所以支持获取它们“key的集合”、“value的集合”、“key-value的集合”，然后通过Iterator对这些集合进行遍历。
由于“key的集合”、“value的集合”、“key-value的集合”的遍历原理都是一样的；下面，我以遍历“key-value的集合”来进行说明。

HashMap 和Hashtable 遍历"key-value集合"的方式是：(01) 通过entrySet()获取“Map.Entry集合”。 (02) 通过iterator()获取“Map.Entry集合”的迭代器，再进行遍历。

HashMap的实现方式：先“从前向后”的遍历数组；对数组具体某一项对应的链表，则从表头开始往后遍历。

 1 // 返回“HashMap的Entry集合”
 2 public Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() {
 3     return entrySet0();
 4 }
 5 // 返回“HashMap的Entry集合”，它实际是返回一个EntrySet对象
 6 private Set<Map.Entry<K,V>> entrySet0() {
 7     Set<Map.Entry<K,V>> es = entrySet;
 8     return es != null ? es : (entrySet = new EntrySet());
 9 }
10 // EntrySet对应的集合
11 // EntrySet继承于AbstractSet，说明该集合中没有重复的EntrySet。
12 private final class EntrySet extends AbstractSet<Map.Entry<K,V>> {
13     ...
14     public Iterator<Map.Entry<K,V>> iterator() {
15         return newEntryIterator();
16     }
17     ...
18 }
19 // 返回一个“entry迭代器”
20 Iterator<Map.Entry<K,V>> newEntryIterator()   {
21     return new EntryIterator();
22 }
23 // Entry的迭代器
24 private final class EntryIterator extends HashIterator<Map.Entry<K,V>> {
25     public Map.Entry<K,V> next() {
26         return nextEntry();
27     }
28 }
29 private abstract class HashIterator<E> implements Iterator<E> {
30     // 下一个元素
31     Entry<K,V> next;
32     // expectedModCount用于实现fail-fast机制。
33     int expectedModCount;
34     // 当前索引
35     int index;
36     // 当前元素
37     Entry<K,V> current;
38 
39     HashIterator() {
40         expectedModCount = modCount;
41         if (size > 0) { // advance to first entry
42             Entry[] t = table;
43             // 将next指向table中第一个不为null的元素。
44             // 这里利用了index的初始值为0，从0开始依次向后遍历，直到找到不为null的元素就退出循环。
45             while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
46                 ;
47         }
48     }
49 
50     public final boolean hasNext() {
51         return next != null;
52     }
53 
54     // 获取下一个元素
55     final Entry<K,V> nextEntry() {
56         if (modCount != expectedModCount)
57             throw new ConcurrentModificationException();
58         Entry<K,V> e = next;
59         if (e == null)
60             throw new NoSuchElementException();
61 
62         // 注意！！！
63         // 一个Entry就是一个单向链表
64         // 若该Entry的下一个节点不为空，就将next指向下一个节点;
65         // 否则，将next指向下一个链表(也是下一个Entry)的不为null的节点。
66         if ((next = e.next) == null) {
67             Entry[] t = table;
68             while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
69                 ;
70         }
71         current = e;
72         return e;
73     }
74 
75     ...
76 }

Hashtable的实现方式：先从“后向往前”的遍历数组；对数组具体某一项对应的链表，则从表头开始往后遍历。

 1 public Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() {
 2     if (entrySet==null)
 3         entrySet = Collections.synchronizedSet(new EntrySet(), this);
 4     return entrySet;
 5 }
 6 
 7 private class EntrySet extends AbstractSet<Map.Entry<K,V>> {
 8     public Iterator<Map.Entry<K,V>> iterator() {
 9         return getIterator(ENTRIES);
10     }
11     ...
12 }
13 
14 private class Enumerator<T> implements Enumeration<T>, Iterator<T> {
15     // 指向Hashtable的table
16     Entry[] table = Hashtable.this.table;
17     // Hashtable的总的大小
18     int index = table.length;
19     Entry<K,V> entry = null;
20     Entry<K,V> lastReturned = null;
21     int type;
22 
23     // Enumerator是 “迭代器(Iterator)” 还是 “枚举类(Enumeration)”的标志
24     // iterator为true，表示它是迭代器；否则，是枚举类。
25     boolean iterator;
26 
27     // 在将Enumerator当作迭代器使用时会用到，用来实现fail-fast机制。
28     protected int expectedModCount = modCount;
29 
30     Enumerator(int type, boolean iterator) {
31         this.type = type;
32         this.iterator = iterator;
33     }
34 
35     // 从遍历table的数组的末尾向前查找，直到找到不为null的Entry。
36     public boolean hasMoreElements() {
37         Entry<K,V> e = entry;
38         int i = index;
39         Entry[] t = table;
40         /* Use locals for faster loop iteration */
41         while (e == null && i > 0) {
42             e = t[--i];
43         }
44         entry = e;
45         index = i;
46         return e != null;
47     }
48 
49     // 获取下一个元素
50     // 注意：从hasMoreElements() 和nextElement() 可以看出“Hashtable的elements()遍历方式”
51     // 首先，从后向前的遍历table数组。table数组的每个节点都是一个单向链表(Entry)。
52     // 然后，依次向后遍历单向链表Entry。
53     public T nextElement() {
54         Entry<K,V> et = entry;
55         int i = index;
56         Entry[] t = table;
57         /* Use locals for faster loop iteration */
58         while (et == null && i > 0) {
59             et = t[--i];
60         }
61         entry = et;
62         index = i;
63         if (et != null) {
64             Entry<K,V> e = lastReturned = entry;
65             entry = e.next;
66             return type == KEYS ? (T)e.key : (type == VALUES ? (T)e.value : (T)e);
67         }
68         throw new NoSuchElementException("Hashtable Enumerator");
69     }
70 
71     // 迭代器Iterator的判断是否存在下一个元素
72     // 实际上，它是调用的hasMoreElements()
73     public boolean hasNext() {
74         return hasMoreElements();
75     }
76 
77     // 迭代器获取下一个元素
78     // 实际上，它是调用的nextElement()
79     public T next() {
80         if (modCount != expectedModCount)
81             throw new ConcurrentModificationException();
82         return nextElement();
83     }
84 
85     ...
86 
87 }

 

6 容量的初始值 和 增加方式都不一样

HashMap默认的容量大小是16；增加容量时，每次将容量变为“原始容量x2”。
Hashtable默认的容量大小是11；增加容量时，每次将容量变为“原始容量x2 + 1”。

HashMap默认的“加载因子”是0.75, 默认的容量大小是16。

 1 // 默认的初始容量是16，必须是2的幂。
 2 static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;
 3 
 4 // 默认加载因子
 5 static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
 6 
 7 // 指定“容量大小”的构造函数
 8 public HashMap(int initialCapacity) {
 9     this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
10 }

当HashMap的 “实际容量” >= “阈值”时，(阈值 = 总的容量 * 加载因子)，就将HashMap的容量翻倍。

 1 // 新增Entry。将“key-value”插入指定位置，bucketIndex是位置索引。
 2 void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
 3     // 保存“bucketIndex”位置的值到“e”中
 4     Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
 5     // 设置“bucketIndex”位置的元素为“新Entry”，
 6     // 设置“e”为“新Entry的下一个节点”
 7     table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
 8     // 若HashMap的实际大小 不小于 “阈值”，则调整HashMap的大小
 9     if (size++ >= threshold)
10         resize(2 * table.length);
11 }

Hashtable默认的“加载因子”是0.75, 默认的容量大小是11。 

1 // 默认构造函数。
2 public Hashtable() {
3     // 默认构造函数，指定的容量大小是11；加载因子是0.75
4     this(11, 0.75f);
5 }

当Hashtable的 “实际容量” >= “阈值”时，(阈值 = 总的容量 x 加载因子)，就将变为“原始容量x2 + 1”。

 1 // 调整Hashtable的长度，将长度变成原来的(2倍+1)
 2 // (01) 将“旧的Entry数组”赋值给一个临时变量。
 3 // (02) 创建一个“新的Entry数组”，并赋值给“旧的Entry数组”
 4 // (03) 将“Hashtable”中的全部元素依次添加到“新的Entry数组”中
 5 protected void rehash() {
 6     int oldCapacity = table.length;
 7     Entry[] oldMap = table;
 8 
 9     int newCapacity = oldCapacity * 2 + 1;
10     Entry[] newMap = new Entry[newCapacity];
11 
12     modCount++;
13     threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
14     table = newMap;
15 
16     for (int i = oldCapacity ; i-- > 0 ;) {
17         for (Entry<K,V> old = oldMap[i] ; old != null ; ) {
18             Entry<K,V> e = old;
19             old = old.next;
20 
21             int index = (e.hash & 0x7FFFFFFF) % newCapacity;
22             e.next = newMap[index];
23             newMap[index] = e;
24         }
25     }
26 }

 

7 添加key-value时的hash值算法不同

HashMap添加元素时，是使用自定义的哈希算法。
Hashtable没有自定义哈希算法，而直接采用的key的hashCode()。

HashMap添加元素时，是使用自定义的哈希算法。

 1 static int hash(int h) {
 2     h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
 3     return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
 4 }
 5 
 6 // 将“key-value”添加到HashMap中
 7 public V put(K key, V value) {
 8     // 若“key为null”，则将该键值对添加到table[0]中。
 9     if (key == null)
10         return putForNullKey(value);
11     // 若“key不为null”，则计算该key的哈希值，然后将其添加到该哈希值对应的链表中。
12     int hash = hash(key.hashCode());
13     int i = indexFor(hash, table.length);
14     for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
15         Object k;
16         // 若“该key”对应的键值对已经存在，则用新的value取代旧的value。然后退出！
17         if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
18             V oldValue = e.value;
19             e.value = value;
20             e.recordAccess(this);
21             return oldValue;
22         }
23     }
24 
25     // 若“该key”对应的键值对不存在，则将“key-value”添加到table中
26     modCount++;
27     addEntry(hash, key, value, i);
28     return null;
29 }

 

Hashtable没有自定义哈希算法，而直接采用