Java-L09：Map，集合框架的另一部分

李文轩 2019-03-30
声明：这是本人学习极客时间的Java核心36讲的笔记，有侵权请联系我。

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Java的集合框架，此处不包括 Map 和 java.util.concurrent 下的线程安全容器

Hashtable、HashMap、TreeMap

• 都是 Map的实现，以键值对的形式存储和操作数据的容器类型

• Hashtable是哈希表的实现，是同步的，性能开销比较大；具备无序特性；不支持 null键和值

• HashMap也是哈希表的实现，不是同步的，所以比较常用；具备无序特性；支持null键和值；put和get操作都达到常数时间的性能

• TreeMap是基于红黑树的一种提供顺序访问的Map；get、put、remove之类的基本操作都是O(log(n))的时间复杂度。具体顺序由Comparator或键的自由顺序决定；所以一般需要排序对情况下是选择它。默认升序排序方式。当未实现Comparator或在实现中未对null情况进行判断时，key不能为null。

• 同样是可以保证某种顺序，LinkedHashMap通常提供的是遍历顺序符合插入顺序，它的实现是通过为键值对维护一个双向链表

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线程安全（来自评论区）

• HashMap本身是不支持同步的；Hashtable因为通过阻塞状态的方式，所以在多线程下也会效率低下
• 建议可以使用Collection的synchronizedMap方法 或者 ConcurrentHashMap类
  • ConcurrentHashMap类是基于lock实现锁分段
  • 将Map存放的数据分成一段一段的存储方式，然后给每一段数据分配一把锁，当一个线程占用锁访问其中一个段的数据时，其他段的数据也能被其他线程访问。
  • ConcurrentHashMap不仅保证了多线程运行环境下的数据访问安全性，而且性能上有长足的提升。

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Map 整体结构

• Hashtable比其他Map要不同，它是扩展了Dictionary类的

• 其他Map都是扩展类AbstractMap的，里面包含类通用方法抽象。设计目的一句体现在不用接口上。

• 大部分Map的使用场景都是，放入、访问或者删除，对顺序没有要求；HashMap的性能较好，它是一般情况的最好选择。

• HashMap的性能依赖于哈希值的有效性：

  • equals相等，hashCode一定也要相等
  • 重写了hashCode也要重写equals
  • hashCode需要保持一致性，状态改变返回的哈希值仍然要一致
  • equals的对称、反射、传递等特性
  • compareTo的返回值需要和equals一致，否则会出香模凌两可的情况

• LinkedHashMap通过特定构造函数，可以创建反映访问顺序的实例

• 比如如果想建造一个空间敏感的资源池，我们希望在新资源加入时，同时释放最不常用的一个数据

import java.util.LinkedHashMap;
import java.util.Map;  
public class LinkedHashMapSample {
    public static void main(String[] args) {
        LinkedHashMap accessOrderedMap = new LinkedHashMap(16, 0.75F, true){
            @Override
            protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry eldest) { // 实现自定义删除策略，否则行为就和普遍 Map 没有区别
                return size() > 3;
            }
        };
        accessOrderedMap.put("Project1", "Valhalla");
        accessOrderedMap.put("Project2", "Panama");
        accessOrderedMap.put("Project3", "Loom");
        accessOrderedMap.forEach( (k,v) -> {
            System.out.println(k +":" + v);
        });
        // 模拟访问
        accessOrderedMap.get("Project2");
        accessOrderedMap.get("Project2");
        accessOrderedMap.get("Project3");
        System.out.println("Iterate over should be not affected:");
        accessOrderedMap.forEach( (k,v) -> {
            System.out.println(k +":" + v);
        });
        // 触发删除
        accessOrderedMap.put("Project4", "Mission Control");
        System.out.println("Oldest entry should be removed:");
        accessOrderedMap.forEach( (k,v) -> {// 遍历顺序不变
            System.out.println(k +":" + v);
        })
    }
}

• 这段代码限制了资源池size为3，当“project4“加入时，同时删除了”project1“

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HashMap源码

• HashMap内部实现基本点

• 可以看作一个数组和链表结合的复合结构，数组被分为桶（bucket）
• 用哈希值决定了键值对属于哪个桶

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• 容量（capacity)和负载系数（load factor）。

  • 容量理论最大极限由 MAXIMUM_CAPACITY指定，数值为2的30次方
  • 在源码的putVal方法里可以看出，resize方法处理了几个问题：
    • 在表格是null的时候，resize方法会负责初始化
    • resize也负责扩容；新插入的键值对会检查++size > threshold；若true，则调用resize
  • 门阀值threshold等于（负载因子）*（容量），判断是否扩容的关键
  • 门阀值通常以倍数调整，当元素数量超过门阀值时，调整Map大小。
  • 而容量和负载因子决定了可用的桶的数量；若只使用一个桶，HashMap会退回链表的状态

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• 树化

  • 逻辑主要存在于putVal和treeifyBin中
  • 主要注意的是，如果桶里的元素数量大于TREEIFY_THRESHOLD
    • 如果容量小于MIN_TREEIFY_CAPACITY，只会进行简单扩容
    • 如果容量大于MIN_TREEIFY_CAPACITY，则是进行树化改造
  • 树化大主要原因是安全问题，若大部分键值对处于一个bin中，则会形成一个链表
    • 构造哈希冲突从而导致服务器CPU大量占用（链表查询为线性，严重影响存取）是比较简单的攻击手段

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重写 hashCode 和 equals 方法

• 如果我们要将自定义类当作键加入到HashMap中，如果不重写，结果可能和我们预想的不太一样

• 如果我们没有重写自定义对象的hashCode方法，在作为键加入到HashMap里时调用hashCode方法的时候，程序将调用Object里的hashCode方法，即返回对象的内存地址。这并不是我们所期待的。

• 重写可以调用Object.hash(Object...values)方法，或xx.hashCode()

• 如果我们没有重写自定义对象的equals方法，即使我们用同样哈希值去找HashMap里的值的时候，get会返回null。因为我们没有重写equals的话，程序自动调用Object里的equals方法；这个固定方法是比较键的内存地址的，所以即使用同样的哈希值的不同对象，返回的依然是null。

• 重写可以先检查是否是null对象和是否同一类型的对象。如果不是null和是同一类型，那么可以逐个对比两个对象里的成员变量

• 两个equals返回true的对象一定有一样的hashCode，但是两个有相同hashCode的对象不一定equals返回true。因为hashCode其实作为一个对象存储的参数存在于对象中，有可能两个对象有相同的hashCode，但是他们的成员变量不一定都是相等；一定是所以成员变量相等和同一对象类型的两个对象才相等。