深入剖析Java Map：掌握HashMap、TreeMap、LinkedHashMap和ConcurrentHashMap
Map接口
在Java中，Map接口是一个通用的键值对集合，它允许我们使用一对键值来存储和访问数据。可以通过put(key, value)方法将键值对存储到Map中，然后通过get(key)方法获取相应的值。
Map接口中常用的方法有：
- put(Object key, Object value)：将指定的键值对存储到Map中
- get(Object key)：获取指定键所对应的值
- remove(Object key)：从Map中删除指定键的键值对
- keySet()：返回所有键的集合
- entrySet()：返回所有键值对的集合
- size()：返回Map中包含的键值对的数量
Map的原理
Java 的Map 作为一种键值对存储数据的数据结构，在内部实现上主要依赖两种机制：哈希表和红黑树。
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哈希表： 在 Java 中，哈希表的实现通常是通过一个数组加上链表或红黑树来实现的。哈希表通过将键的哈希值映射到数组索引，然后在该索引位置存储相应的值。在发生哈希冲突的情况下，即多个键映射到了相同的数组索引位置，一般会使用链表或红黑树来解决冲突。
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链表： 当多个键映射到相同的数组索引时，使用链表来存储键值对，其特点是插入和查找的时间复杂度为O(1)，但在查找时需要遍历链表进行线性搜索，效率较低。
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红黑树： 为了解决链表查找效率低下的问题，Java 在哈希表中引入了红黑树。当链表长度超过一定阈值时，链表将被转化为红黑树，进一步提高查找的效率，红黑树能够在O(logN)的时间复杂度内完成插入、删除和查找操作。
Map 的内部实现根据这些机制，选择哈希表或红黑树来实现键值对的存储和查找，以达到高效的数据存储和访问。
- HashMap 使用哈希表实现，通过哈希函数计算键的索引位置。其特点是存取的速度非常快，查找的时间复杂度为O(1)，但是在空间上相对于其他实现稍微占用更多。
- TreeMap 使用红黑树实现，保证了键值对的有序性。它的特点是查找的时间复杂度为O(logN)，可以进行有序的遍历和范围查询。
- LinkedHashMap 在HashMap的基础上增加了双向链表，保持了键值对的插入顺序。它的特点是除了具备HashMap的快速存取功能外，还可以按照插入的顺序进行遍历。
- ConcurrentHashMap 是在哈希表基础上进行了加锁，通过分段锁实现多线程的并发安全性。它的特点是允许多个线程同时进行读操作，从而提高了并发读写的性能，而写操作仍然需要加锁保证原子性。
Map的初始化
先看下面的示例：
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.TreeMap;
public class MapInitializationExample {
public static void main(String[] args) {
// 初始化空的HashMap
Map<Integer, String> hashMap = new HashMap<>();
// 添加键值对
hashMap.put(1, "苹果");
hashMap.put(2, "香蕉");
hashMap.put(3, "橙子");
System.out.println("hashMap: " + hashMap); // 输出: {1=苹果, 2=香蕉, 3=橙子}
// 使用Map.of()方法初始化不可变的Map
Map<String, Integer> immutableMap = Map.of("苹果", 1, "香蕉", 2, "橙子", 3);
System.out.println("immutableMap: " + immutableMap); // 输出: {香蕉=2, 苹果=1, 橙子=3}
// 使用静态代码块初始化不可变Map
Map<String, String> staticMap = new HashMap<String, String>() {
{
put("一个", "1");
put("两个", "2");
put("三个", "3");
}
};
System.out.println("staticMap: " + staticMap); // 输出: {三个=3, 一个=1, 两个=2}
}
}
以上代码展示了三种常见的方式来初始化Map：
- 通过put方法进行初始化：
// 初始化空的HashMap
Map<Integer, String> hashMap = new HashMap<>();
// 添加键值对
hashMap.put(1, "苹果");
hashMap.put(2, "香蕉");
hashMap.put(3, "橙子");
这种方式首先创建了一个空的HashMap对象，然后使用put方法逐个添加键值对。
- 使用Map.of()方法进行初始化（适用于Java 9及以上版本）：
// 使用Map.of()方法初始化不可变的Map
Map<String, Integer> immutableMap = Map.of("苹果", 1, "香蕉", 2, "橙子", 3);
这种方式使用Java 9中引入的Map.of()静态方法来创建一个不可变的Map对象。通过在方法参数中指定键值对来初始化Map。
- 使用静态代码块进行初始化：
// 使用静态代码块初始化Map
Map<String, String> staticMap = new HashMap<String, String>() {
{
put("一个", "1");
put("两个", "2");
put("三个", "3");
}
};
这种方式使用了匿名内部类的方式，继承HashMap并在静态代码块中使用put方法逐个添加键值对来初始化Map。
HashMap
HashMap是Java中最常用的键值对集合，它内部使用哈希表来实现键值对的存储和查找。HashMap中的键和值都可以为null值，同时HashMap是无序的。
下面是一个使用HashMap的示例：
HashMap<Integer, String> map = new HashMap<>();
map.put(1, "A");
map.put(2, "B");
map.put(3, "C");
String value = map.get(2);
System.out.println(value); // B
map.remove(3);
Set<Integer> keySet = map.keySet();
for (Integer key : keySet) {
String val = map.get(key);
System.out.println(key + ":" + val);
}
在这个示例中，我们使用了HashMap存储了三个键值对，并通过get()方法获取键为2的值。然后使用remove()方法删除了键为3的键值对，最后使用keySet()方法获取所有的键，并通过遍历keySet并使用get()方法获取相应的值，输出了HashMap中存储的键值对。
TreeMap
TreeMap是Java中一种有序的键值对集合，它的实现基于红黑树，因此可以保证键值对的有序性。TreeMap中的键和值都可以为null值。
下面是一个使用TreeMap的示例：
TreeMap<Integer, String> map = new TreeMap<>();
map.put(3, "C");
map.put(1, "A");
map.put(2, "B");
String value = map.get(2);
System.out.println(value); // B
map.remove(3);
Set<Integer> keySet = map.keySet();
for (Integer key : keySet) {
String val = map.get(key);
System.out.println(key + ":" + val);
}
在这个示例中，我们使用了TreeMap存储了三个键值对，并通过get()方法获取键为2的值。然后使用remove()方法删除了键为3的键值对，最后使用keySet()方法获取所有的键，并通过遍历keySet并使用get()方法获取相应的值，输出了TreeMap中存储的键值对。
LinkedHashMap
LinkedHashMap是Java中一种可以保证键值对顺序的键值对集合，它继承于HashMap，并使用双向链表来维护键值对的顺序。
下面是一个使用LinkedHashMap的示例：
LinkedHashMap<Integer, String> map = new LinkedHashMap<>();
map.put(3, "C");
map.put(1, "A");
map.put(2, "B");
String value = map.get(2);
System.out.println(value); // B
map.remove(3);
Set<Integer> keySet = map.keySet();
for (Integer key : keySet) {
String val = map.get(key);
System.out.println(key + ":" + val);
}
在这个示例中，我们使用了LinkedHashMap存储了三个键值对，并通过get()方法获取键为2的值。然后使用remove()方法删除了键为3的键值对，最后使用keySet()方法获取所有的键，并通过遍历keySet并使用get()方法获取相应的值，输出了LinkedHashMap中存储的键值对。
ConcurrentHashMap
ConcurrentHashMap是Java中一种线程安全的HashMap，它提供了与多线程环境下的高并发读写需求的性能来应对的方法。ConcurrentHashMap基于分段锁的机制，将哈希表分成多个段，每个段都可以独立加锁，从而支持多个线程同时操作不同的段，提高并发性能。
下面是一个使用ConcurrentHashMap的示例：
ConcurrentHashMap<Integer, String> map = new ConcurrentHashMap<>();
map.put(3, "C");
map.put(1, "A");
map.put(2, "B");
String value = map.get(2);
System.out.println(value); // B
map.remove(3);
Set<Integer> keySet = map.keySet();
for (Integer key : keySet) {
String val = map.get(key);
System.out.println(key + ":" + val);
}
在这个示例中，我们使用了ConcurrentHashMap存储了三个键值对，并通过get()方法获取键为2的值。然后使用remove()方法删除了键为3的键值对，最后使用keySet()方法获取所有的键，并通过遍历keySet并使用get()方法获取相应的值，输出了ConcurrentHashMap中存储的键值对。
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