Java—Map集合详解
Map
Map集合介绍
Map（也称为字典、关联数组）是用于保存具有映射关系的数据，保存两组值，key和value，这两组值可以是任何应用类型的数据。
Map的key不允许重复（底层Map的keySet()返回的是key的Set集合，所以key不会重复），即Map中对象的任意两个key通过equals()方法得到的都是false。而，Map的value值是可以重复的（Map的底层values()方法返回类型是Collection，可以存储重复元素），通过key总能找到唯一的value，Map中的key组成一个Set集合，所以可以通过keySet()方法返回所有key。Set底层也是通过Map实现的，只不过value都是null的Map来实现的。
public class HashSet<E>
extends AbstractSet<E>
implements Set<E>, Cloneable, java.io.Serializable{
static final long serialVersionUID = -5024744406713321676L;
private transient HashMap<E,Object> map;
// Dummy value to associate with an Object in the backing Map
private static final Object PRESENT = new Object();
public HashSet() {
map = new HashMap<>();
}
public HashSet(Collection<? extends E> c) {
map = new HashMap<>(Math.max((int) (c.size()/.75f) + 1, 16));
addAll(c);
}
public HashSet(int initialCapacity, float loadFactor) {
map = new HashMap<>(initialCapacity, loadFactor);
}
public HashSet(int initialCapacity) {
map = new HashMap<>(initialCapacity);
}
public boolean add(E e) {
return map.put(e, PRESENT)==null;
}
}
Map实现类
Map典型的实现类是HashMap、Hashtable（HashMap子类还有LinkedHashMap）、SortedMap子接口及实现类TreeMap、WeakHashMap、IndentityHashMap等。
Map有一个内部类Entry，该类封装了key-value对，有如下三个方法：
-
K getKey();：获取Entry中的key值； -
V getValue();：获取Entry中的value值； -
V setValue(V value);：设置Entry中的value值，并返回新设置的value值。
Map常用方法
-
int size();：返回Map的key-value对的长度。 -
boolean isEmpty();：判断该Map是否为空。 -
boolean containsKey(Object key);：判断该Map中是否包含指定的key。 -
boolean containsValue(Object value);：判断该Map是否包含一个或多个value。 -
V get(Object key);：获取某个key所对应的value；若不包含该key，则返回null。 -
V put(K key, V value);：向Map添加key-value对，当Map中有一个与该key相等的key-value对，则新的会去覆盖旧的。 -
V remove(Object key);：移除指定的key所对应的key-value对，若成功删除，则返回移除的value值。 -
void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m);：将指定的Map中的key-value对全部复制到该Map中。 -
void clear();：清除Map中的所有key-value对。 -
Set<K> keySet();：获取该Map中所有key组成的Set集合。 -
Collection<V> values();：获取该Map中所有value组成的Collection。 -
Set<Map.Entry<K, V>> entrySet();：返回该Map中Entry类的Set集合。 -
boolean remove(Object key, Object value)：删除指定的key-value对，若删除成功，则返回true；否则，返回false。
HashMap
HashMap介绍
HashMap底层是数组+链表的形式，实现Map.Entry接口，数组是Entry[]数组，是一个静态内部类，Entry是key-value键值对，持有一个指向下一个元素的next引用，这就构成链表（单向链表）。
HashMap底层是数组和链表的结合体。底层是一个线性数组结构，数组中的每一项又是一个链表。当新建一个HashMap的时候，就会初始化一个数组。数组是Entry[]数组，静态内部类。Entry就是数组中的元素，每个 Map.Entry 其实就是一个key-value对，它持有一个指向下一个元素的引用next，这就构成了链表。根据指定的hash值找到在table中的索引；HashMap底层数组的长度是2^n，默认是16,负载因子为0.75，所以最大容量阈值threshold = (int)(capacity * loadFactor);16*0.75=12，当超过这个阈值的时候，开始扩容，即每次扩容增加一倍。
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
/**
* Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the default initial capacity
* (16) and the default load factor (0.75).
*/
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}
底层读写元素原理
在这里插入图片描述
put实现原理
当我们往HashMap中put元素的时候：当程序试图将一个key-value对放入HashMap中时，
- 程序首先根据该 key 的
hashCode()返回值再hash，决定该 Entry 的存储位置； - 若Entry的存储位置上为null，直接存储该对象；若不为空，两个 Entry 的 key 的 hashCode() 返回值相同，那它们的存储位置相同。
- 循环遍历链表，如果这两个 Entry 的 key 通过
equals()比较返回true，新添加 Entry 的 value 将覆盖集合中原有 Entry 的value，但key不会覆盖；如果这两个 Entry 的 key 通过equals()比较返回false，将该对象放到数组中，然后将数组中原有的Entry对象链接到此对象后面。新添加的 Entry 将与集合中原有 Entry 形成Entry 链，而且新添加的Entry位于 Entry 链的头部。
get实现原理
从HashMap中get元素时，
- 首先计算key的
hash值，通过再hash函数，找到数组中对应位置的某一元素； - 然后通过key的
equals()方法（key同不同）在对应位置的链表中找到需要的元素。
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
遍历Map的方式
第一种方式：Iterator的方式
Iterator<Map.Entry<String, Integer>> itr = map.entrySet().iterator();
//等价于Set<Map.Entry<String, Integer>> set = map.entrySet();
//Iterator<Map.Entry<String, Integer>> itr = set.iterator();
while(itr.hasNext()){
Map.Entry<String, Integer> entry = itr.next();
String key = entry.getKey();
Integer value = entry.getValue();
System.out.println(key+" : "+value);
}
第二种：增强型for循环
//使用增强型for循环
for(Map.Entry<String, Integer> entry : map.entrySet()){
System.out.println(entry.getKey() +"=" +entry.getValue());
}
示例
1）运行主类
public class DemoApplication {
public static void main(String[] args) {
Map<Integer, String> bookMap = new HashMap<>();
bookMap.put(1,"book01");
bookMap.put(2,"book02");
bookMap.put(3,"book03");
bookMap.put(4,"book04");
bookMap.put(5,"book01");
System.out.println("原集合：" + bookMap);
//获取map大小
System.out.println("size()获取map大小：" + bookMap.size());
//判断map是否为空
System.out.println("isEmpty()判断是否为空：" + bookMap.isEmpty());
//判断该Map中是否包含指定的key
System.out.println("containsKey()判断该Map中是否包含指定的key：" + bookMap.containsKey(2));
//判断该Map是否包含一个或多个value
System.out.println("containsValue()判断该Map是否包含一个或多个value：" + bookMap.containsValue("book01"));
//获取某个key所对应的value；若不包含该key，则返回null
System.out.println("获取某个key所对应的value：" + bookMap.get(2));
System.out.println("获取某个key所对应的value；若不包含该key，则返回null：" + bookMap.get(100));
//put重复key，覆盖旧value；
System.out.println("put重复key：" + bookMap.put(1,"book001"));
System.out.println("新集合：" + bookMap);
//移除指定的key所对应的key-value对，若成功删除，则返回移除的value值。
System.out.println("移除指定的key所对应的key-value对：" + bookMap.remove(1));
//将指定的Map中的key-value对全部复制到该Map中
Map<Integer, String> newMap = new HashMap<>();
newMap.put(10, "book10");
newMap.put(11, "book11");
System.out.println("newMap：" + newMap);
bookMap.putAll(newMap);
System.out.println("putAll()将指定的Map中的key-value对全部复制到该Map中：" + bookMap);
//清除Map中的所有key-value对
newMap.clear();
System.out.println("clear()清除Map中的所有key-value对：" + newMap);
//获取该Map中所有key组成的Set集合
Set<Integer> keySet = bookMap.keySet();
System.out.println("keySet()获取该Map中所有key组成的Set集合：" + keySet);
//获取该Map中所有value组成的Collection
Collection<String> values = bookMap.values();
System.out.println("values()获取该Map中所有value组成的Collection：" + values);
//返回该Map中Entry类的Set集合
Set<Map.Entry<Integer, String>> entrySet = bookMap.entrySet();
Iterator<Map.Entry<Integer, String>> iterator = entrySet.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
Map.Entry<Integer, String> entry = iterator.next();
Integer key = entry.getKey();
String value = entry.getValue();
System.out.println("key=" + key + ", value=" + value);
}
//删除指定的key-value对，若删除成功，则返回true；否则，返回false。
System.out.println("删除指定的key-value对，若删除成功（存在）：" + bookMap.remove(2, "book02"));
System.out.println("删除指定的key-value对，若删除成功（不存在）：" + bookMap.remove(2, "book02"));
}
}
2）运行结果：
原集合：{1=book01, 2=book02, 3=book03, 4=book04, 5=book01}
size()获取map大小：5
isEmpty()判断是否为空：false
containsKey()判断该Map中是否包含指定的key：true
containsValue()判断该Map是否包含一个或多个value：true
获取某个key所对应的value：book02
获取某个key所对应的value；若不包含该key，则返回null：null
put重复key：book01
新集合：{1=book001, 2=book02, 3=book03, 4=book04, 5=book01}
移除指定的key所对应的key-value对：book001
newMap：{10=book10, 11=book11}
putAll()将指定的Map中的key-value对全部复制到该Map中：{2=book02, 3=book03, 4=book04, 5=book01, 10=book10, 11=book11}
clear()清除Map中的所有key-value对：{}
keySet()获取该Map中所有key组成的Set集合：[2, 3, 4, 5, 10, 11]
values()获取该Map中所有value组成的Collection：[book02, book03, book04, book01, book10, book11]
key=2, value=book02
key=3, value=book03
key=4, value=book04
key=5, value=book01
key=10, value=book10
key=11, value=book11
删除指定的key-value对，若删除成功（存在）：true
删除指定的key-value对，若删除成功（不存在）：false
Hashtable介绍
Hashtable是和HashMap一样，属于Map典型的实现类，区别于HashMap的是，Hashtable是线程安全的Map实现，但是性能低。Hashtable不允许使用null作为key和value；若将null值存入Hashtable，会抛出NullPointerException异常；而HashMap可以使用null作为key或value。
LinkedHashMap介绍
LinkedHashMap是HashMap的子类，使用双向链表维护key-value对的顺序（只是关注key的顺序），迭代顺序和key-value插入Map中的顺序保持一致。
Properties介绍
Properties类是Hashtable类的子类。通常作为处理属性配置文件比较好。可以将Map对象中的key-value配置写入到属性文件中，反之，也可以将属性文件中的key=value加载到Map对象中。注意，属性文件中的属性key-value只能是字符串类型。提供以下几个方法来操作Properties
-
synchronized Object setProperty(String key, String value)：设置属性值，底层是通过put来实现。
public synchronized Object setProperty(String key, String value) {
return put(key, value);
}
-
String getProperty(String key)：获取指定属性名的属性值，底层是通过Map的get(Object key)来实现。
public String getProperty(String key) {
Object oval = super.get(key);
String sval = (oval instanceof String) ? (String)oval : null;
return ((sval == null) && (defaults != null)) ? defaults.getProperty(key) : sval;
}
-
String getProperty(String key, String defaultValue)：类似于getProperty(String key)方法，在此基础上多一个功能是党Properties中不存在指定的key时，该方法指定默认值去获取。 -
synchronized void load(InputStream inStream) throws IOException：从属性文件以输入流的方式加载key-value对，并将这些key-value追加到Properties中。 -
void store(OutputStream out, String comments)：将Properties中的key-value对以输出流的方式输出到指定的属性文件中。
TreeMap介绍
TreeMap是SortedMap接口的实现类，TreeMap底层是红黑树数据结构，每个key-value作为红黑树的一个节点。TreeMap存储节点时，根据key对节点进行排序，主要是自然排序和自定义排序。类似于TreeSet。
WeakHashMap介绍
WeakHashMap用法基本和HashMap类似，不同的是WeakHashMap是对实际对象的弱引用，弱引用就是当WeakHashMap的key所引用的对象没有被其他强引用变量进行引用时，key所对应的对象就可能会被垃圾回收，WeakHashMap会自动删除该key所对应的key-value对。而HashMap的key是保留实际对象的强引用，强引用就是当HashMap对象不被销毁的时候，HashMap所有key所引用的对象就不会被垃圾回收。
IdentityHashMap介绍
IdentityHashMap也基本类似于HashMap，有一些特殊的地方在于：判断两个key相等。HashMap中判断key相等只需要判断两个key通过equals()方法比较返回true，而IdentityHashMap是仅当两个key通过(key1==key2)相等时才认为相等。IdentityHashMap同样支持null作为key和value。
EnumMap介绍
EnumMap是Map的枚举实现类，所有key都必须是单个枚举类的枚举值。创建EnumMap的时候必须显式或者隐式指定对应的枚举类。
EnumMap在内部是以数组的形式保存元素，根据key的自然顺序，即枚举值在枚举类中定义的顺序来保存key-value对的顺序。EnumMap不允许null作为key，但是可以使用null作为value。
Q&A
HashMap的扩容resize原理，如何扩容？
当HashMap内的元素对象存储的爆满时，就容易出现hash冲突的现象，这个时候就需要底层数组扩容。当然，HashMap这种扩容的操作也是比较消耗性能的，因为这需要原数组中的数据重新计算其在新数组中的位置。
扩容的时机是什么？当HashMap中的元素个数超过数组大小时（即负载因子loadFactor），HashMap底层就会进行数组的扩容，loadFactor的默认值为0.75，这是一个折中的取值。数组大小默认为16，当HashMap中元素对象个数超过16*0.75=12时，就把数组的大小扩容到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，因此实际使用的时候，若已知晓HashMap大概需要存储多少元素时，则预设元素的个数就可以提高HashMap的性能。
折中：负载因子loadFactor衡量的是一个散列表的空间的使用程度，负载因子越大表示散列表空间利用率高。查找一个元素的平均时间为o(1+a)，当负载因子变大的时候，空间利用率高了，但是查询效率降低；当负载因子变小的时候，元素就会稀疏，但是查询效率高，所以要折中时间和空间。
解决hash冲突的方法有哪些？
-
开放定址法：线性探测再散列、二次探测再散列、随机探测再散列； -
再哈希法：换一种哈希函数； -
链地址法：在数组中冲突元素后面拉一条链路，存储重复的元素； -
建立一个公共溢出区：其实就是建立一个表，存放那些冲突的元素。
HashMap中什么时候会产生冲突？
HashMap中调用hashCode()方法来计算hashCode。由于在Java中两个不同的对象可能有一样的hashCode,所以不同的键可能有一样hashCode，从而导致冲突的产生。
Java8中HashMap和LinkedHashMap如何解决冲突？
- 在
Java8之前，HashMap和其他基于map的类都是通过链地址法解决冲突，它们使用单向链表来存储相同索引值的元素。在最坏的情况下，这种方式会将HashMap的get方法的性能从O(1)降低到O(n)。为了解决在频繁冲突时Hashmap性能降低的问题，Java 8中使用平衡树来替代链表存储冲突的元素。这意味着我们可以将最坏情况下的性能从O(n)提高到O(logn)。 - 在
Java 8中使用常量TREEIFY_THRESHOLD来控制是否切换到平衡树来存储。目前，这个常量值是8，这意味着当有超过8个元素的索引一样时，HashMap会使用树来存储它们。 - 在Java 7中为了优化常用类对ArrayList和HashMap采用了延迟加载的机制，在有元素加入之前不会分配内存，这会减少空的链表和HashMap占用的内存。
- 这种动态解决hash冲突的特性使得HashMap
一开始使用链表，并在冲突的元素数量超过指定值时用平衡二叉树替换链表。这一特性在所有基于hash table的类中没有，例如Hashtable和WeakHashMap。只有ConcurrentHashMap,LinkedHashMap和HashMap会在频繁冲突的情况下使用平衡树。
以上就是Java中HashMap如何处理冲突。这种方法被称为链地址法，因为使用链表存储同一桶内的元素。通常情况HashMap，HashSet，LinkedHashSet，LinkedHashMap，ConcurrentHashMap，HashTable，IdentityHashMap和WeakHashMap均采用这种方法处理冲突。从JDK 8开始，HashMap，LinkedHashMap和ConcurrentHashMap为了提升性能，在频繁冲突的时候使用平衡树来替代链表。因为HashSet内部使用了HashMap，LinkedHashSet内部使用了LinkedHashMap，所以他们的性能也会得到提升。
HashMap和TreeMap区别
-
查询插入等用途：在Map中插入、删除和定位元素，HashMap适合；若要按顺序遍历键，则TreeMap适合。 -
优化：HashMap可以调优初始容量和负载因子；TreeMap没有调优选项，因为树总处于平衡状态。 -
实现接口：都实现了Cloneable接口。TreeMap实现SortMap接口，能够把它保存的记录根据键排序（默认按键的升序），HashMap继承AbstractMap； -
底层实现：TreeMap底层是数组+红黑树；HashMap底层是数组+链表法（从Java 8开始，HashMap，ConcurrentHashMap和LinkedHashMap在处理频繁冲突时将使用平衡树来代替链表，当同一hash桶中的元素数量超过特定的值（默认为8）便会由链表切换到平衡树，这会将get()方法的性能从O(n)提高到O(logn)。）
Hashmap和Hashset区别
HashSet底层是通过HashMap实现的。add的时候，调用map的put方法，value始终是PRESENT，所以HashSet是所有value值都相同的HashMap。
-
实现接口：HashSet实现了Set集合的接口，不允许有重复的值（准确说应该是元素作为key，value是定义为final的对象），将对象存储在HashSet之前，需要确保对象已经重写了equals和hashCode方法，这样才能比较两个对象的值是否相等，确保set中没有存储相等的对象。HashMap实现了Map集合接口，对键值对进行映射。Map中不允许重复的键。 -
存储元素：HashMap存储的是键值对，不允许有重复的键；Hashset存储的是对象，不能有重复的对象元素。 -
添加元素方法：HashMap使用put方法将元素放入map中，HashSet使用add方法将元素放入set中。 -
hashCode值的计算：HashMap中使用键对象计算hashcode的值，HashSet中使用成员对象来计算hashcode值。 -
效率：HashMap比较快，因为使用唯一的键来获取对象，HashSet比HashMap慢。 -
底层实现：HashSet是所有value值都相同的HashMap。HashSet内部使用HashMap实现，只不过HashSet里面的HashMap所有的value都是同一个object而已。private transient HashMap<E,Object> map;只是包含了hashmap的key。
HashMap和Hashtable异同
同：
两者都是用key-value方式获取数据。
异：
-
null值：HashMap允许null值作为key和value；Hashtable不允许null的键值； -
顺序性：HashMap不保证映射的顺序不变，但是作为HashMap的子类LinkedHashMap默认按照插入顺序来进行映射的顺序；Hashtable无法保证； -
线程安全：HashMap是非同步的（非线程安全），效率高；Hashtable是同步的（线程安全的），效率低。（HashMap同步通过Collections.synchronizedMap()实现） -
快速失败机制：迭代HashMap采用fail-fast快速失败机制（快速失败机制：是一个线程或软件对于其故障做出的响应，用来即时报告可能会导致失败的任何故障情况，如果一个Iterator在集合对象上创建了，其他线程想结构化的修改该集合对象，抛出并发修改异常ConcurrentModificationException）；而HashTable的enumerator迭代器不是fail-fast的（Hashtable的上下文同步：一个时间点只能有一个线程可以修改哈希表，任何线程在执行Hashtable的更新操作前需要获取对象锁，其他线程等待锁的释放； -
父类：HashMap继承AbstractMap，Hashtable继承Dictionary； -
数组默认大小：HashMap底层数组的默认大小是16，扩容是2*old；Hashtable底层数组默认是11，扩容方式是2*old+1； -
效率：HashMap是非线程安全的，单线程下效率高；Hashtable是线程安全的，方法都加了synchronized关键字进行同步，效率较低； -
计算hash方式不同：HashMap是二次hash，对key的hashCode进行二次hash，获得更好的散列值；而Hashtable是直接使用key的hashCode对table数组进行取模。
如何让HashMap同步
通过Collections集合工具类中的synchronizedMap()方法实现同步：Map map = Collections.synchronizedMap(hashMap);。
Collections.synchronizedMap()实现原理是Collections定义了一个 SynchronizedMap的内部类，这个类实现了Map接口，在调用方法时使用synchronized来保证线程同步,当然了实际上操作的还是我们传入的。
private static class SynchronizedMap<K,V>
implements Map<K,V>, Serializable {
private static final long serialVersionUID = 1978198479659022715L;
private final Map<K,V> m; // Backing Map
final Object mutex; // Object on which to synchronize
SynchronizedMap(Map<K,V> m) {
this.m = Objects.requireNonNull(m);
mutex = this;
}
SynchronizedMap(Map<K,V> m, Object mutex) {
this.m = m;
this.mutex = mutex;
}
public int size() {
synchronized (mutex) {return m.size();}
}
public boolean isEmpty() {
synchronized (mutex) {return m.isEmpty();}
}
public boolean containsKey(Object key) {
synchronized (mutex) {return m.containsKey(key);}
}
public boolean containsValue(Object value) {
synchronized (mutex) {return m.containsValue(value);}
}
public V get(Object key) {
synchronized (mutex) {return m.get(key);}
}
public V put(K key, V value) {
synchronized (mutex) {return m.put(key, value);}
}
public V remove(Object key) {
synchronized (mutex) {return m.remove(key);}
}
public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> map) {
synchronized (mutex) {m.putAll(map);}
}
public void clear() {
synchronized (mutex) {m.clear();}
}
private transient Set<K> keySet;
private transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet;
private transient Collection<V> values;
public Set<K> keySet() {
synchronized (mutex) {
if (keySet==null)
keySet = new SynchronizedSet<>(m.keySet(), mutex);
return keySet;
}
}
public Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() {
synchronized (mutex) {
if (entrySet==null)
entrySet = new SynchronizedSet<>(m.entrySet(), mutex);
return entrySet;
}
}
public Collection<V> values() {
synchronized (mutex) {
if (values==null)
values = new SynchronizedCollection<>(m.values(), mutex);
return values;
}
}
public boolean equals(Object o) {
if (this == o)
return true;
synchronized (mutex) {return m.equals(o);}
}
public int hashCode() {
synchronized (mutex) {return m.hashCode();}
}
public String toString() {
synchronized (mutex) {return m.toString();}
}
// Override default methods in Map
@Override
public V getOrDefault(Object k, V defaultValue) {
synchronized (mutex) {return m.getOrDefault(k, defaultValue);}
}
@Override
public void forEach(BiConsumer<? super K, ? super V> action) {
synchronized (mutex) {m.forEach(action);}
}
@Override
public void replaceAll(BiFunction<? super K, ? super V, ? extends V> function) {
synchronized (mutex) {m.replaceAll(function);}
}
@Override
public V putIfAbsent(K key, V value) {
synchronized (mutex) {return m.putIfAbsent(key, value);}
}
@Override
public boolean remove(Object key, Object value) {
synchronized (mutex) {return m.remove(key, value);}
}
@Override
public boolean replace(K key, V oldValue, V newValue) {
synchronized (mutex) {return m.replace(key, oldValue, newValue);}
}
@Override
public V replace(K key, V value) {
synchronized (mutex) {return m.replace(key, value);}
}
@Override
public V computeIfAbsent(K key,
Function<? super K, ? extends V> mappingFunction) {
synchronized (mutex) {return m.computeIfAbsent(key, mappingFunction);}
}
@Override
public V computeIfPresent(K key,
BiFunction<? super K, ? super V, ? extends V> remappingFunction) {
synchronized (mutex) {return m.computeIfPresent(key, remappingFunction);}
}
@Override
public V compute(K key,
BiFunction<? super K, ? super V, ? extends V> remappingFunction) {
synchronized (mutex) {return m.compute(key, remappingFunction);}
}
@Override
public V merge(K key, V value,
BiFunction<? super V, ? super V, ? extends V> remappingFunction) {
synchronized (mutex) {return m.merge(key, value, remappingFunction);}
}
private void writeObject(ObjectOutputStream s) throws IOException {
synchronized (mutex) {s.defaultWriteObject();}
}
}
