Java的 Map以及实现一个简单的红黑树

Map是Java中的一种键值对（Key-Value）数据结构，它提供了高效的键值对的存储和访问。在Java中，常见的Map实现类有HashMap、LinkedHashMap和TreeMap等。这些实现类在底层使用不同的数据结构来存储键值对，以提供不同的性能和特性。

让我们看看官方介绍Map吧（采用机翻）

Map是将键映射到值的对象。map不能包含重复的键; 每个键最多只能映射到一个值。这个接口取代了Dictionary类，Dictionary类是一个完全抽象的类，而不是接口。

Map接口提供了三个集合视图，它们允许将映射的内容视为一组键、一组值或一组键-值映射。映射的顺序定义为映射集合视图上的迭代器返回其元素的顺序。一些类似实现，比如TreeMap类，对它们的顺序做出了特定的保证;其他类，如HashMap类，则不需要。

注意:如果使用可变对象作为映射键，必须非常小心。如果对象的值以影响相等比较的方式更改，而该对象是映射中的键，则不指定映射的行为。这种禁止的一个特殊情况是，不允许map将自身包含为键。虽然允许映射将自身包含为一个值，但建议非常小心。

equals和hashCode方法不再在这样的映射上得到很好的定义。

所有通用的map实现类都应该提供两个“标准”构造函数:

  1. 创建空映射的void(无参数)构造函数，
  2. 具有单个map类型参数的构造函数，它创建具有与其参数相同的键值映射的新映射。

实际上，后一种构造函数允许用户复制任何映射，生成所需类的等效映射。没有办法强制执行这个建议(因为接口不能包含构造函数)，但是JDK中的所有通用映射实现都遵循这个建议。该接口中包含的“破坏性”方法，即修改其操作的映射的方法，被指定为在该映射不支持该操作时抛出UnsupportedOperationException。如果是这种情况，如果调用对映射没有影响，这些方法可能(但不是必需)抛出UnsupportedOperationException。

例如，在不可修改的映射上调用putAll(Map)方法，如果要“叠加”其映射的映射为空，则可能(但不是必需的)抛出异常。一些映射实现对它们可能包含的键和值有限制。例如，有些实现禁止空键和空值，有些实现对其键的类型有限制。尝试插入不符合条件的键或值将引发未检查异常，通常为NullPointerException或ClassCastException。试图查询是否存在不符合条件的键或值可能会抛出异常，或者简单地返回false;有些实现将展示前一种行为，有些将展示后一种行为。更一般地说，尝试对不符合条件的键或值进行操作，其完成后不会导致在映射中插入不符合条件的元素，可能会抛出异常，也可能成功，这取决于实现的选择。这种异常在该接口的规范中被标记为“可选的”。

Collections Framework接口中的许多方法都是根据equals方法定义的。例如，containsKey(Object key)方法的规范说:“当且仅当此映射包含键k的映射使得(key==null ?)K ==null: key.equals(K))。”此规范不应被解释为暗示调用Map。带有非空参数key的containsKey将导致对任何键k调用key.equals(k)。实现可以自由地实现优化，从而避免equals调用，例如，首先比较两个键的哈希码。(Object.hashCode()规范保证两个哈希码不相等的对象不能相等。)更一般地说，只要实现者认为合适，各种集合框架接口的实现可以自由地利用底层对象方法的指定行为。一些执行递归遍历map的map操作可能会失败，对于map直接或间接包含自身的自引用实例可能会出现异常。这包括clone()、equals()、hashCode()和toString()方法。实现可以选择性地处理自引用场景，但是大多数当前实现都不这样做。

Map的特点

  • 键唯一性：Map中的键是唯一的，每个键只能对应一个值。
  • 无序性：Map中的键值对是无序的，插入顺序不会影响键值对的存储和访问顺序。
  • 键和值的映射关系：每个键都与一个值相关联，通过键可以获取对应的值。
  • 允许空键和空值：Map允许使用null作为键和值。
  • 可变性：Map是可变的数据结构，可以动态地添加、修改和删除键值对。

在这里插入图片描述

Map的实现方式

  • HashMap使用哈希表（Hash Table）实现，通过哈希函数将键映射到数组索引，以实现快速的插入、查找和删除操作。它提供了O(1)的平均时间复杂度。
  • LinkedHashMap在HashMap的基础上，使用双向链表维护插入顺序，以保持键值对的迭代顺序。
  • TreeMap使用红黑树（Red-Black Tree）实现，以保持键的有序性。它提供了O(log n)的时间复杂度。

Map的缺点

  • 性能开销：相比于数组或列表，Map的性能开销较大。由于需要维护键的唯一性和映射关系，以及可能的哈希冲突等，Map的操作通常比较耗时。
  • 内存占用：Map需要维护额外的数据结构来存储键值对的映射关系，这会占用一定的内存空间。
  • 无序性：虽然Map提供了键值对的存储和访问，但是它们是无序的。如果需要有序性，可能需要使用其他数据结构。

示例：

将Map对象转换为List对象
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Map;public class MapToListExample {public static void main(String[] args) {// 创建一个Map对象Map<String, Integer> map = Map.of("A", 1, "B", 2, "C", 3);// 将Map对象转换为List对象List<Map.Entry<String, Integer>> list = new ArrayList<>(map.entrySet());// 打印转换后的List对象for (Map.Entry<String, Integer> entry : list) {System.out.println(entry.getKey() + " : " + entry.getValue());}}
}

将HashMap的键值对结构转换为数组对象结构

import java.util.ArrayList;
import java.util.HashMap;
import java.util.List;
import java.util.Map;public class HashMapToArrayExample {public static void main(String[] args) {// 创建一个HashMap对象Map<String, Integer> hashMap = new HashMap<>();hashMap.put("A", 1);hashMap.put("B", 2);hashMap.put("C", 3);// 将HashMap的键值对结构转换为数组对象结构List<MyObject> array = new ArrayList<>();for (Map.Entry<String, Integer> entry : hashMap.entrySet()) {MyObject obj = new MyObject(entry.getKey(), entry.getValue());array.add(obj);}// 打印转换后的数组对象for (MyObject obj : array) {System.out.println(obj.getKey() + " : " + obj.getValue());}}
}class MyObject {private String key;private Integer value;public MyObject(String key, Integer value) {this.key = key;this.value = value;}public String getKey() {return key;}public Integer getValue() {return value;}
}
实现一个简易版本的红黑树
package com.xh.Map;/*** @author HWZ* @date 2024年03月07日 11:01* @description*/
public class RedBlackTree<K extends Comparable<K>, V> {private static final boolean RED = true;private static final boolean BLACK = false;private Node root;private class Node {private K key;private V value;private Node left, right;private boolean color;public Node(K key, V value) {this.key = key;this.value = value;this.color = RED;}}/*** 向红黑树中插入键值对* @param key 键* @param value 值*/public void put(K key, V value) {root = put(root, key, value);root.color = BLACK;}private Node put(Node node, K key, V value) {if (node == null) {return new Node(key, value);}int cmp = key.compareTo(node.key);if (cmp < 0) {node.left = put(node.left, key, value);} else if (cmp > 0) {node.right = put(node.right, key, value);} else {node.value = value;}if (isRed(node.right) && !isRed(node.left)) {node = rotateLeft(node);}if (isRed(node.left) && isRed(node.left.left)) {node = rotateRight(node);}if (isRed(node.left) && isRed(node.right)) {flipColors(node);}return node;}/*** 删除红黑树中指定键的节点* @param key 键*/public void delete(K key) {if (!contains(key)) {return;}if (!isRed(root.left) && !isRed(root.right)) {root.color = RED;}root = delete(root, key);if (root != null) {root.color = BLACK;}}private Node delete(Node node, K key) {if (key.compareTo(node.key) < 0) {if (!isRed(node.left) && !isRed(node.left.left)) {node = moveRedLeft(node);}node.left = delete(node.left, key);} else {if (isRed(node.left)) {node = rotateRight(node);}if (key.compareTo(node.key) == 0 && (node.right == null)) {return null;}if (!isRed(node.right) && !isRed(node.right.left)) {node = moveRedRight(node);}if (key.compareTo(node.key) == 0) {Node min = findMin(node.right);node.key = min.key;node.value = min.value;node.right = deleteMin(node.right);} else {node.right = delete(node.right, key);}}return balance(node);}private Node deleteMin(Node node) {if (node.left == null) {return null;}if (!isRed(node.left) && !isRed(node.left.left)) {node = moveRedLeft(node);}node.left = deleteMin(node.left);return balance(node);}/*** 判断红黑树中是否包含指定键* @param key 键* @return 是否包含指定键*/public boolean contains(K key) {return get(key) != null;}/*** 根据键查找红黑树中的值* @param key 键* @return 值*/public V get(K key) {Node node = root;while (node != null) {int cmp = key.compareTo(node.key);if (cmp < 0) {node = node.left;} else if (cmp > 0) {node = node.right;} else {return node.value;}}return null;}/*** 更新红黑树中指定键的值* @param key 键* @param value 值*/public void update(K key, V value) {if (contains(key)) {put(key, value);}}private boolean isRed(Node node) {if (node == null) {return false;}return node.color == RED;}private Node rotateLeft(Node node) {if (node == null || node.right == null) {return node;}Node x = node.right;node.right = x.left;x.left = node;x.color = node.color;node.color = RED;return x;}private Node rotateRight(Node node) {Node x = node.left;node.left = x.right;x.right = node;x.color = node.color;node.color = RED;return x;}private void flipColors(Node node) {node.color = RED;node.left.color = BLACK;node.right.color = BLACK;}private Node moveRedLeft(Node node) {flipColors(node);if (isRed(node.right.left)) {node.right = rotateRight(node.right);node = rotateLeft(node);flipColors(node);}return node;}private Node moveRedRight(Node node) {flipColors(node);if (isRed(node.left.left)) {node = rotateRight(node);flipColors(node);}return node;}private Node balance(Node node) {if (isRed(node)) {node = rotateLeft(node);}if (isRed(node.left) && isRed(node.left.left)) {node = rotateRight(node);}if (isRed(node.left) && isRed(node.right)) {flipColors(node);}return node;}private Node findMin(Node node) {while (node.left != null) {node = node.left;}return node;}
}

这个简易版本的红黑树实现包括了插入、删除、查找和修改操作。红黑树的节点使用内部类Node表示，包含了键、值、左子节点、右子节点和颜色属性。

插入操作使用递归实现，并根据红黑树的性质进行旋转和颜色翻转来保持树的平衡性。删除操作也使用递归实现，并根据不同情况进行旋转和颜色翻转来保持树的平衡性。

查找操作根据键的比较逐级向下搜索，直到找到匹配的键或搜索到叶子节点为止。修改操作先判断是否包含指定的键，如果包含则调用插入操作来更新键对应的值。

注意，这只是一个简易版本的红黑树实现，并没有考虑到所有的边界情况和优化。在实际应用中，我们更加建议使用Java标准库中的TreeMap来实现红黑树，它提供了更完善和高效的实现。

上述红黑树代码的测试：
public class RedBlackTreeTest {public static void main(String[] args) {RedBlackTree<Integer, String> tree = new RedBlackTree<>();// 插入操作tree.put(5, "Value 5");tree.put(2, "Value 2");tree.put(8, "Value 8");tree.put(1, "Value 1");tree.put(4, "Value 4");tree.put(7, "Value 7");tree.put(9, "Value 9");// 查找操作System.out.println(tree.get(4)); // 输出: Value 4System.out.println(tree.get(10)); // 输出: null// 修改操作tree.update(4, "New Value 4");System.out.println(tree.get(4)); // 输出: New Value 4// 删除操作tree.delete(2);System.out.println(tree.contains(2)); // 输出: false}
}

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