深入理解 hash 函数、HashMap、LinkedHashMap、TreeMap 【中】

LinkedHashMap - 有序的 HashMap

        我们之前讲过的 HashMap 的性能表现非常不错，因此使用的非常广泛。但是它有一个非常大的缺点，就是它内部的元素都是无序的。如果在遍历 map 的时候， 我们希望元素能够保持它被put进去时候的顺序，或者是元素被访问的先后顺序，就不得不使用 LinkedHashMap。

        LinkdHashMap 继承了 HashMap，因此，它具备了 HashMap 的优良特性-高性能。在HashMap 的基础上， LinkedHashMap 又在内部维护了一个链表，用来存放元素的顺序。因此，我们可以将 LinkedHashMap 理解为在内部增加了一个链表的 HashMap。

        LinkedHashMap 提供了两种类型的顺序：元素插入的顺序 和 元素最近访问的顺序。可以通过下面构造函数指定排序方式。

/**
     * Constructs an empty LinkedHashMap instance with the
     * specified initial capacity, load factor and ordering mode.
     *
     * @param  initialCapacity the initial capacity
     * @param  loadFactor      the load factor
     * @param  accessOrder     the ordering mode - true for
     *         access-order, false for insertion-order
     * @throws IllegalArgumentException if the initial capacity is negative
     *         or the load factor is nonpositive
     */
    public LinkedHashMap(int initialCapacity,
                         float loadFactor,
                         boolean accessOrder) {
        super(initialCapacity, loadFactor);
        this.accessOrder = accessOrder;
    }

        accessOrder 为 true 时为访问顺序排列，false 为插入顺序排列。

        通过上节我们知道，HashMap 中的 Entry 包括 key,value,next 指针以及 hash 值。而 LinkedHashMap 通过继承它，实现了 LinkedHashMap.Entry ， 为 HashMap.Entry 增加了 before 和 after 属性用来记录某一表项的前驱和后继，并构成循环链表。因此，它的 Entry table 结构如下图：

以下代码实例，展示了 LinkedHashMap 的有序性：

public static void main(String[] args){
		Map map = new LinkedHashMap();
		map.put("1", "aa");
		map.put("2", "bb");
		map.put("3", "cc");
		map.put("4", "dd");
		map.get("3");
		for(Iterator it = map.keySet().iterator();it.hasNext();){
			String name = it.next();
			System.out.println(name+"-->"+map.get(name));
		}
	}

输出结果为：

        1-->aa
        2-->bb
        3-->cc
        4-->dd

如果将实现改为 HashMap，则输出结果为：

        3-->cc
        2-->bb
        1-->aa
        4-->dd

可以看到，LinkedHashMap 迭代中，很好的保持了元素输入时候的顺序。我们还可以将其顺序改为按照访问时间排序：

        Map map = new LinkedHashMap(16,0.75f,true);

结果出乎意料，抛出了异常：java.util.ConcurrentModificationException 。

        我们知道，实现了 Iterable 接口都会在集合内部维护一个 modcount 的变量，当集合元素被改动的时候，便会自动递增。这是防止使用迭代器的时候，代码修改原集合状态。这种情况一般是由于用户迭代过程中调用了 remove add 等方法。但这里为什么会报这种异常呢？问题就在 LinkedHashMap 的 get 方法上。一般认为 get 方式是只读的，但是当前的 LinkedHashMap 工作在元素访问顺序排序的模式中，get 方法会修改 LinkedHashMap 中的链表结构，以便将最近访问的元素放置到链表的末尾，因此，LinkedHashMap 工作在这种模式的时候，不能使用 get 操作。

TreeMap - 另一种 Map 实现

        HashMap 通过 hash 算法可以最快速的进行 put() 和 get() 操作。TreeMap 则提供了一种完全不同的 Map 实现。从功能上讲，TreeMap 有着比 HashMap 更为强大的功能，它实现了 SortedMap 接口，这意味着它可以对元素进行排序。而且与 LinkedHashMap 基于元素进入顺序和元素访问顺序排列相比，TreeMap 是基于元素的固有顺序排列的（由 Comparator 或者 Comparable 确定）。然而，TreeMap 的性能略低于 HashMap 。

        虽然性能略有逊色，但是，如果在开发中需要对元素进行排序，TreeMap 就成为了不二选择。TreeMap 提供的有关排序的接口如下：

    public SortedMap subMap(K fromKey, K toKey)
    public SortedMap headMap(K toKey)
    public SortedMap tailMap(K fromKey)
    public K firstKey()
    public K lastKey()

由于 TreeMap 根据 key 进行排序，为了确定 key 的顺序，有两种方式：

1） 在 TreeMap 的构造函数中注入一个 Comparator。

        public TreeMap(Comparator comparator)

2) 使用实现了 Comparable 接口的 key。

        对 TreeMap 而言，排序是一个必须的过程，因此，要正常使用 TreeMap ，必须指定排序规则，否则会抛出 java.lang.ClassCastException 异常。

        TreeMap 的内部实现是基于红黑树的。红黑树是一种平衡查找树，它的统计性能要由于平衡二叉树。有良好的最坏运行时间，可以再 O（log n） 时间内做查找、插入和删除，n 表示树中元素的个数。

        下面以一个实例展示 TreeMap 对排序的支持。假设现在需要对学生的成绩进行统计，以学生的成绩排序，需要通过统计的范围筛选出符合条件的学生，并查找这些学生的详细信息。这样的功能仅使用 HashMap 来时间是相当费力的，排序算法也需要在应用程序中自己实现，其效率也取决于程序员对算法的理解，较难得到保证。而是用 TreeMap 则可以高效且方便的实现以上功能。

public class Student implements Comparable {
	public Student(String name, int score) {
		this.name = name;
		this.score = score;
	}

	String name;
	int score;

	@Override
	public int compareTo(Student o) {
		return score == o.score ? 0 : score > o.score ? 1 : -1;
	}

	@Override
	public String toString() {
		StringBuffer sb = new StringBuffer();
		sb.append("name:");
		sb.append(name);
		sb.append(" ");
		sb.append("score:");
		sb.append(score);
		return sb.toString();
	}

	public static void main(String[] args) {
		Map map = new TreeMap();
		Student s1 = new Student("Billy", 70);
		Student s2 = new Student("David", 85);
		Student s3 = new Student("Kite", 92);
		Student s4 = new Student("Cissy", 68);
		map.put(s1, new StudentDetailInfo(s1));
		map.put(s2, new StudentDetailInfo(s2));
		map.put(s3, new StudentDetailInfo(s3));
		map.put(s4, new StudentDetailInfo(s4));

		// 筛选出成绩介于 Cissy 和 David 之间的所有学生
		Map map1 = ((TreeMap) map).subMap(s4, s2);
		for (Iterator it = map1.keySet().iterator(); it.hasNext();) {
			Student key = it.next();
			System.out.println(key + "->" + map1.get(key));
		}
		System.out.println("subMap end");

		// 筛选出成绩低于 Billy的所有学生
		Map map2 = ((TreeMap) map).headMap(s1);
		for (Iterator it = map2.keySet().iterator(); it.hasNext();) {
			Student key = it.next();
			System.out.println(key + "->" + map2.get(key));
		}
		System.out.println("headMap end");

		// 筛选出成绩大于等于 Billy的所有学生
		Map map3 = ((TreeMap) map).tailMap(s1);
		for (Iterator it = map3.keySet().iterator(); it.hasNext();) {
			Student key = it.next();
			System.out.println(key + "->" + map3.get(key));
		}
		System.out.println("tailMap end");

	}
}

class StudentDetailInfo {
	Student s;

	public StudentDetailInfo(Student s) {
		this.s = s;
	}

	@Override
	public String toString() {
		return s.name + "'s detail infmation";
	}
}

运行结果如下：

name:Cissy score:68->Cissy's detail infmation
name:Billy score:70->Billy's detail infmation
subMap end
name:Cissy score:68->Cissy's detail infmation
headMap end
name:Billy score:70->Billy's detail infmation
name:David score:85->David's detail infmation
name:Kite score:92->Kite's detail infmation
tailMap end

        可以看到，TreeMap 提供了简明的接口对有序的 key 集合进行筛选，其结果集也是一个有序的 Map。同时，TreeMap 在最坏的情况下也可以在 O(log n) 时间内做查找、插入和删除。因此，就一个实现了排序功能的 Map 而言，TreeMap 是十分高效的。