集合详解—Map集合

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
• 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 valueMap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

Map接口的常用方法：

方法	描述
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
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
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

Map实现类之一：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。

HashMap的存储结构

HashMap源码中重要的常量

**DEFAULT_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 0.75

TREEIFY_THRESHOLD：Bucket中链表长度大于该默认值，转化为红黑树 8

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resize扩容操作这个MIN_TREEIFY_CAPACITY的值至少是TREEIFY_THRESHOLD的4倍。）64

table：存储元素的数组，总是2的n次幂

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 16 * 0.75 = 12

loadFactor：填充因子

JDK1.8之前源码解析

HashMap中的内部类：Node

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

    Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
     
        this.hash = hash;
        this.key = key;
        this.value = value;
        this.next = next;
    }
    ...
}

HashMap的内部存储结构其实是数组和链表的结合。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。

添加元素的过程：

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。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。

那么HashMap什么时候进行扩容呢？

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size）* 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。

JDK1.8之后源码解析

HashMap的内部存储结构其实是数组+链表+树的结合。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Node对象可以带一个引用变量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TreeNode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。

那么HashMap什么时候进行扩容和树形化呢？

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size）* 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。

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。

关于映射关系的key是否可以修改？answer：不要修改
映射关系存储到HashMap中会存储key的hash值，这样就不用在每次查找时重新计算每一个Entry或Node（TreeNode）的hash值了，因此如果已经put到Map中的映射关系，再修改key的属性，而这个属性又参与hashcode值的计算，那么会导致匹配不上。

总结：JDK1.8相较于之前的变化：

1. HashMap map = new HashMap();//默认情况下，先不创建长度为16的数组
2. 当首次调用map.put()时，再创建长度为16的数组
3. 数组为Node类型，在jdk7中称为Entry类型
4. 形成链表结构时，新添加的key-value对在链表的尾部（七上八下）
5. 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。

jdk8 相较于jdk7在底层实现方面的不同：

• new HashMap():底层没有创建一个长度为16的数组
• jdk 8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
• jdk7底层结构只有：数组+链表。jdk8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。

面试题：

谈谈你对HashMap中put/get方法的认识？如果了解再谈谈HashMap的扩容机制？默认大小是多少？什么是负载因子(或填充比)？什么是吞吐临界值(或阈值、threshold)？

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。

Map实现类之二：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

LinkedHashMap中的内部类：Entry

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);
    }
}

Map实现类之三：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。

Map实现类之四：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

Map实现类之五：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);