Java Map接口的常见实现类

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Java 进阶篇Java Map接口的常见实现类HashMapTreeMap其他Map实现类

Java Map接口的常见实现类

HashMap

概述

HashMap 是Map 的子类，此类的定义如下：

public class HashMap extends AbstractMap

implements Map, Cloneable, Serializable

​ 此类继承了AbstractMap 类，同时可以被克隆，可以被序列化下来。

特点

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。

HashMap的存储结构

JDK 7及以前版本：HashMap是数组+链表结构(即为链地址法)

JDK 8版本发布以后：HashMap是数组+链表+红黑树实现。

HashMap的存储结构示意图

HashMap源码中的重要成员属性

常量

ULT_INITIAL_CAPACITY : HashMap的默认容量，16

MAXIMUM_CAPACITY ： HashMap的最大支持容量，2^30

DEFAULT_LOAD_FACTOR：HashMap的默认加载因子

TREEIFY_THRESHOLD：Bucket中链表长度大于该默认值，转化为红黑树

UNTREEIFY_THRESHOLD：Bucket中红黑树存储的Node小于该默认值，转化为链表

MIN_TREEIFY_CAPACITY：桶中的Node被树化时最小的hash表容量。（当桶中Node的数量大到需要变红黑树时，若hash表容量小于MIN_TREEIFY_CAPACITY时，此时应执行。扩容操作这个MIN_TREEIFY_CAPACITY的值至少是TREEIFY_THRESHOLD的4倍。）

变量

entrySet：存储具体元素的集

size：HashMap中存储的键值对的数量

modCount：HashMap扩容和结构改变的次数。

threshold：扩容的临界值，=容量*填充因子

loadFactor：填充因子

内部类

Node

static class Node implements Map.Entry {

final int hash;

final K key;

V value;

Node next;

Node(int hash, K key, V value, Node next) {

this.hash = hash;

this.key = key;

this.value = value;

this.next = next;

}

}

TreeNode

static final class TreeNode extends LinkedHashMap.Entry {

TreeNode parent; // red-black tree links

TreeNode left;

TreeNode right;

TreeNode prev; // needed to unlink next upon deletion

boolean red;

TreeNode(int hash, K key, V val, Node next) {

super(hash, key, val, next);

}

/**

* Returns root of tree containing this node.

*/

final TreeNode root() {

for (TreeNode r = this, p;;) {

if ((p = r.parent) == null)

return r;

r = p;

}

}

}

HashMap的初始化

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。

HashMap添加元素的过程

通过hash算法计算位置：

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。

判断是否可添加：

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。

HashMap进行扩容的时机：

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）*填充因子（loadFactor） 时就会进行数组扩容。

loadFactor：

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16x0.75=12（这个值就是代码中的threshold值，也叫做临界值）的时候，就把进行扩容。

容量翻倍：

HashMap的扩容是扩大一倍，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。

树化和反树化

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。

总结：

JDK1.8相较于之前的变化：

HashMap map = new HashMap();//默认情况下，先不创建长度为16的数组

当首次调用map.put()时，再创建长度为16的数组

数组为Node类型，在jdk7中称为Entry类型

形成链表结构时，新添加的key-value对在链表的尾部（七上八下）

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。

面试题：

负载因子值的大小，对HashMap有什么影响？

负载因子的大小决定了HashMap的数据密度。

负载因子越大密度越大，发生碰撞的几率越高，数组中的链表越容易长,造成查询或插入时的比较次数增多，性能会下降。

负载因子越小，就越容易触发扩容，数据密度也越小，意味着发生碰撞的几率越小，数组中的链表也就越短，查询和插入时比较的次数也越小，性能会更高。但是会浪费一定的内容空间。而且经常扩容也会影响性能，建议初始化预设大一点的空间。

按照其他语言的参考及研究经验，会考虑将负载因子设置为0.7~0.75，此时平均检索长度接近于常数。

TreeMap

TreeMap 子类是允许key 进行排序的操作子类，其本身在操作的时候将按照key 进行排序，另外，key 中的内容可以为任意的对象，但是要求对象所在的类必须实现Comparable 接口。

public class TreeMap

extends AbstractMap

implements NavigableMap, Cloneable, java.io.Serializable

特点

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

红黑树存储结构示意图

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。

示例

public static void main(String[] args) {

Map map = new TreeMap();

map.put("ZS", "张三");

map.put("LS", "李四");

map.put("WW", "王五");

map.put("ZL", "赵六");

map.put("SQ", "孙七");

Set set = map.keySet(); // 得到全部的key

Iterator iter = set.iterator();

while (iter.hasNext()) {

String i = iter.next(); // 得到key

System.out.println(i + " --:> " + map.get(i));

}

}

输出结果

LS --:> 李四

SQ --:> 孙七

WW --:> 王五

ZL --:> 赵六

ZS --:> 张三

此时的结果已经排序成功了，但是从一般的开发角度来看，在使用Map 接口的时候并不关心其是否排序，所以此类只需要知道其特点即可。

其他Map实现类

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。

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);

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

static class Entry extends HashMap.Node {

Entry before, after;

Entry(int hash, K key, V value, Node next) {

super(hash, key, value, next);

}

}

}

ConcurrentHashMap

概述

ConcurrentHashMap和 HashMap 非常类似，唯一的区别就是其中的核心数据如 value ，以及链表都是 volatile 修饰的，保证了获取时的可见性。

ConcurrentHashMap 采用了分段锁技术，其中 Segment 继承于 ReentrantLock。不会像 HashTable 那样不管是 put 还是 get 操作都需要做同步处理，理论上 ConcurrentHashMap 支持 CurrencyLevel (Segment 数组数量)的线程并发。每当一个线程占用锁访问一个 Segment 时，不会影响到其他的 Segment。

CorrentHashMap是线程安全的Map，包含两个静态内部类 HashEntry 和 Segment：

HashEntry :

用来封装映射表的键 / 值对；

static final class HashEntry {

final K key; // 声明 key 为 final 型

final int hash; // 声明 hash 值为 final 型

volatile V value; // 声明 value 为 volatile 型

final HashEntry next; // 声明 next 为 final 型

HashEntry(K key, int hash, HashEntry next, V value) {

this.key = key;

this.hash = hash;

this.next = next;

this.value = value;

}

}

Segment:

用来充当锁的角色，每个 Segment 对象守护整个散列映射表的若干个桶（HashEntry对象，若干个HashEntry对象组成HashEntry数组，相当于一个HashMap）。每个桶是由若干个 HashEntry 对象链接起来的链表。一个 ConcurrentHashMap 实例中包含由若干个 Segment 对象组成的数组。

static final class Segment extends ReentrantLock implements Serializable {

transient volatile int count;

transient int modCount;

transient int threshold;

transient volatile HashEntry[] table;

final float loadFactor;

Segment(int initialCapacity, float lf) {

loadFactor = lf;

setTable(HashEntry.newArray(initialCapacity));

}

}

ConcurrentHashMap存储结构示意图