提升Java开发效率：掌握HashMap的常见方法与基本原理

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前言

为了巩固所学的知识，作者尝试着开始发布一些学习笔记类的博客，方便日后回顾。当然，如果能帮到一些萌新进行新技术的学习那也是极好的。作者菜菜一枚，文章中如果有记录错误，欢迎读者朋友们批评指正。
（博客的参考源码可以在我主页的资源里找到，如果在学习的过程中有什么疑问欢迎大家在评论区向我提出）

一、概述

1. 认识HashMap

• HashMap 是一个散列表，它存储的内容是键值对(key-value)映射

• HashMap 实现了 Map 接口，根据键的 HashCode 值存储数据，具有很快的访问速度，最多允许一条记录的键为 null，不支持线程同步

• HashMap 是无序的，即不会记录插入的顺序

• HashMap 继承于AbstractMap，实现了 Map、Cloneable、java.io.Serializable 接口

• HashMap 的 key 与 value 类型可以相同也可以不同，可以是字符串（String）类型的 key 和 value，也可以是整型（Integer）的 key 和字符串（String）类型的 value

2. HashMap 的作用和重要性

HashMap是Java中最常用的数据结构之一，它实现了 Map 接口，提供了键值对存储和检索的功能。HashMap 的作用和重要性体现在以下几个方面：

• 存储和检索：HashMap 可以存储大量的键值对数据，并通过键快速检索对应的值。它使用哈希算法将键映射到数组的位置，从而实现高效的查找操作。这使得HashMap在处理大量数据时，可以快速地插入、获取和删除元素。
• 高效性能：由于 HashMap 的内部实现利用了哈希算法，它的查找操作的平均时间复杂度为O(1)（常数时间）。这意味着HashMap 在大多数情况下能够以非常高效的方式执行插入和查找操作，使得它成为处理大规模数据的理想选择。
• 灵活性：HashMap 中的键和值可以是任意类型的对象。这使得我们可以根据具体需求将不同类型的数据存储在 HashMap 中，而不受限于特定的数据类型。
• 唯一键：HashMap 要求键的唯一性，这意味着每个键只能在 HashMap 中出现一次。这对于通过键来查找值的场景非常有用，例如存储用户信息时，可以将用户ID作为键，以便快速地检索该用户的信息。
• 扩展性：HashMap 可以动态地扩展，根据存储数据的增长自动调整容量，从而避免了手动进行容量管理的繁琐操作。

3. 简要讲解 HashMap 的基本原理和实现方式

当使用 HashMap 存储数据时，它会根据键的哈希值将键值对映射到内部的数组中。基本原理可以概括为以下几步：

1. HashMap函数

• 哈希函数：哈希表中元素是由哈希函数确定的,将数据元素的关键字 Key 作为自变量，通过一定的函数关系（称为哈希函数），计算出的值，即为该元素的存储地址。哈希表中哈希函数的设计是相当重要的，这也是建哈希表过程中的关键问题之一

• 哈希函数计算：当我们向HashMap中插入一个键值对时，HashMap会调用键的hashCode()方法来计算其哈希值。哈希值是一个整数，用于将键映射到数组的索引位置

• 哈希值转换：为了确保哈希值适合作为数组的索引，HashMap会对计算得到的哈希值进行一些转换操作。常用的转换方法是使用哈希值与数组长度进行取模运算，得到一个在数组范围内的索引值

2. HashMap存储

• 数组存储：HashMap内部维护了一个数组，每个数组元素对应一个桶（bucket）。每个桶可以存储一个或多个键值对。当插入或查找元素时，HashMap根据计算得到的索引值找到对应的桶，然后在桶中进行相应的操作

• 动态扩容：为了提高HashMap的性能，在存储的键值对数量达到一定阈值后，HashMap会自动进行扩容操作。扩容过程涉及重新计算键的哈希值，并重新分配键值对到更大的数组中。这样可以减少哈希冲突，提高操作效率

3. HashMap冲突处理

• 冲突处理：由于不同的键可能具有相同的哈希值，这就会导致冲突。当发生冲突时，HashMap使用链表或红黑树等数据结构来存储具有相同哈希值的键值对。这些数据结构允许在冲突的位置上存储多个键值对，并通过比较键的equals()方法来区分它们

• 链表：在JDK 8之前，HashMap使用链表来解决冲突。当多个键值对被映射到同一个桶时，它们会形成一个链表。通过遍历链表来查找、插入或删除键值对。但是，当链表长度过长时，会影响HashMap的性能

• 红黑树：从JDK 8开始，当链表长度超过一个阈值（默认为8）时，链表会被自动转换为红黑树，以提高操作效率。红黑树的查找、插入和删除操作具有较低的时间复杂度，可以在平均情况下保持对数时间复杂度

• Entry对象：HashMap使用Entry对象来表示键值对。每个Entry对象包含了键、值以及指向下一个Entry的引用（形成链表或红黑树结构）。在JDK 8之前，每个Entry对象还包含了指向前一个Entry的引用，以支持快速删除操作

总的来说，HashMap 通过哈希函数计算键的哈希值，并将键值对映射到内部数组中的桶中。采用链表或红黑树等数据结构解决哈希冲突，并通过动态扩容来提高性能。这种实现方式使得 HashMap 能够在常数时间复杂度内执行插入、查找和删除操作。

二、了解 HashMap 创建及其的常见操作方法

1. HashMap的创建

1. 关于包装类
HashMap 中的元素实际上是对象，一些常见的基本类型可以使用它的包装类，基本类型对应的包装类表如下：

基本类型	引用类型
boolean	Boolean
byte	Byte
short	Short
int	Integer
long	Long
float	Float
double	Double
char	Character

2. HashMap要使用包装类型而不是基本类型

• 泛型限制：HashMap 是一个泛型类，它可以存储任意类型的键和值。然而，泛型类型参数只能是类而不能是基本类型。因此，如果要将基本类型作为键或值存储在 HashMap 中，就需要将其包装为相应的包装类型，例如 Integer、Double、Boolean 等。

• 空值处理：基本类型是不允许为 null 的，而包装类型可以为 null。在 HashMap 中，键和值都可以为 null。对于基本类型，当我们需要在 HashMap 中存储一个空值时，必须使用对应的包装类型。

3. 创建HashMap的示例

• HashMap 类位于 java.util 包中，使用前需要引入它，语法格式如下：

import java.util.HashMap; // 引入 HashMap 类

• 以下实例我们创建一个 HashMap 对象 Sites， 整型（Integer）的 key 和字符串（String）类型的 value：

HashMap<Integer, String> Sites = new HashMap<Integer, String>();

2. 添加元素 put()

• 要向HashMap添加元素，你可以使用 put() 方法。put() 方法接受两个参数，第一个参数是键（Key），第二个参数是值（Value）。以下是一个添加元素到 HashMap 的示例：

  map.put("A", 1);
  map.put("B", 2);
  map.put("C", 3);

• 需要注意的是，HashMap 允许将null作为键和值。如果你尝试将null作为键添加到 HashMap 中，它将只有一个键为 null 的键值对。另外，由于 HashMap 不是线程安全的，如果在多线程环境下使用 HashMap，请考虑使用线程安全的 ConcurrentHashMap。

3. 访问元素 get()

• 要访问HashMap中的元素，你可以使用 get() 方法。get() 方法接受一个参数，即要获取的键（Key），并返回与该键关联的值（Value）

  int value1 = map.get("A"); // 访问键为"A"的值
  int value2 = map.get("B"); // 访问键为"B"的值

• 需要注意的是，如果指定的键不存在于 HashMap 中，get() 方法将返回 null。因此，在使用 get() 方法获取值之前，最好先使用containsKey() 方法 检查 HashMap 中是否存在指定的键

• 另外，HashMap还提供了其他方法来访问元素，如keySet()方法可返回所有键的集合，values()方法可返回所有值的集合，entrySet()方法可返回包含键值对的集合。通过使用这些方法，你可以遍历HashMap中的所有键值对并执行相应的操作

4. 删除元素 remove()

• 使用 remove(Object key) 方法：这个方法接受一个键作为参数，并从 HashMap 中删除对应的键值对。例如，如果你要删除键为 “key1” 的元素，可以使用以下代码：

  HashMap<String, String> hashMap = new HashMap<>();
  hashMap.remove("key1");

• 使用迭代器遍历并删除元素：你可以使用 Iterator 来遍历 HashMap 的键值对，并使用 remove() 方法删除元素。这种方法适用于需要按条件删除元素的情况。例如，如果你要删除所有值为"value1"的键值对，可以使用以下代码：

HashMap<String, String> hashMap = new HashMap<>();
Iterator<Map.Entry<String, String>> iterator = hashMap.entrySet().iterator();
while (iterator.hasNext()) {
    Map.Entry<String, String> entry = iterator.next();
    if (entry.getValue().equals("value1")) {
        iterator.remove();
    }
}

• 删除所有键值对 (key-value) 可以使用 clear 方法：

 hashMap.clear();

5. 计算大小 size()

• 要计算HashMap的大小（即键值对的数量），你可以使用size()方法。该方法返回HashMap中键值对的数量。
• 以下是使用size()方法计算HashMap大小的示例代码：

  int size = hashMap.size();

6. 迭代 HashMap for-each

• 可以使用 for-each 来迭代 HashMap 中的元素

• 如果你只想获取 key，可以使用 keySet() 方法，然后可以通过 get(key) 获取对应的 value，如果你只想获取 value，可以使用 values() 方法

// 引入 HashMap 类      
import java.util.HashMap;

public class RunoobTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建 HashMap 对象 Sites
        HashMap<Integer, String> Sites = new HashMap<Integer, String>();
        // 添加键值对
        Sites.put(1, "Google");
        Sites.put(2, "Runoob");
        Sites.put(3, "Taobao");
        Sites.put(4, "Zhihu");
        // 输出 key 和 value
        for (Integer i : Sites.keySet()) {
            System.out.println("key: " + i + " value: " + Sites.get(i));
        }
        // 返回所有 value 值
        for(String value: Sites.values()) {
          // 输出每一个value
          System.out.print(value + ", ");
        }
    }
}

• 执行以上代码，输出结果如下：

key: 1 value: Google
key: 2 value: Runoob
key: 3 value: Taobao
key: 4 value: Zhihu
Google, Runoob, Taobao, Zhihu,

7.判断是否为空 isEmpty()

• 要判断HashMap是否为空，你可以使用isEmpty()方法。该方法会返回一个布尔值，表示HashMap是否为空

• 以下是使用isEmpty()方法判断HashMap是否为空的示例代码：

 System.out.println("Is HashMap empty? " + hashMap.isEmpty()

8. 判断 HashMap 中是否存在指定 key containsKey()

• 要判断 HashMap 是否包含某个特定的键（key），你可以使用 containsKey(Object key) 方法。该方法接受一个键作为参数，并返回一个布尔值，表示 HashMap 是否包含该键

• 以下是使用 containsKey(Object key) 方法判断 HashMap 是否包含某个键的示例代码：

System.out.println("Does HashMap contain key 'key2'? " + hashMap.containsKey("key1"));

9. 获取指定 key 对应对 value，如果找不到 key ，则返回设置的默认值 getOrDefault()

• getOrDefault() 方法获取指定 key 对应对 value，如果找不到 key ，则返回设置的默认值

• getOrDefault() 方法的语法为：

hashmap.getOrDefault(Object key, V defaultValue)

• 参数说明：

1. key - 键
2. defaultValue - 当指定的key并不存在映射关系中，则返回的该默认值

• 返回值：返回 key 相映射的的 value，如果给定的 key 在映射关系中找不到，则返回指定的默认值

import java.util.HashMap;

class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个 HashMap
        HashMap<Integer, String> sites = new HashMap<>();

        // 往 HashMap 添加一些元素
        sites.put(1, "Google");
        sites.put(2, "Runoob");
        sites.put(3, "Taobao");
        System.out.println("sites HashMap: " + sites);

        // key 的映射存在于 HashMap 中
        // Not Found - 如果 HashMap 中没有该 key，则返回默认值
        String value1 = sites.getOrDefault(1, "Not Found");
        System.out.println("Value for key 1:  " + value1);

        // key 的映射不存在于 HashMap 中
        // Not Found - 如果 HashMap 中没有该 key，则返回默认值
        String value2 = sites.getOrDefault(4, "Not Found");
        System.out.println("Value for key 4: " + value2);
    }
}

• 执行以上程序输出结果为：

Value for key 1: Google
Value for key 4: Not Found

总结

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