Java中Map接口的学习

news/2024/9/24 12:07:44/文章来源:https://www.cnblogs.com/BingBing-8888/p/18428882

Map接口

Map接口
- HashMap（掌握）
- TreeMap（掌握）
- LinkedHashMap
- ConcurrentHashMap
- identityHashMap
- HashTable（过时）

HashMap（掌握）

Java中的HashMap是一种基于哈希表实现的Map接口的非同步集合，它提供了快速的查找、插入和删除操作。以下是HashMap的特点、底层数据结构以及常用方法的详细解析：

特点

键值对存储：HashMap存储的是键值对（Key-Value Pair），其中键是唯一的，而值可以重复。
非线程安全：HashMap不是线程安全的，如果多个线程同时访问HashMap，可能会导致数据不一致的情况。如果需要线程安全的Map，可以考虑使用ConcurrentHashMap。
允许null键和null值：HashMap允许键和值都为null，但每个键只能映射到最多一个值。
遍历无序：HashMap中的数据是无序的，遍历时不能保证元素的顺序。
高效性能：在大多数情况下，HashMap的插入和查找操作的时间复杂度都是O(1)，这得益于其哈希表的数据结构。
初始容量和加载因子：可以通过构造方法指定HashMap的初始容量和加载因子，以优化其性能。初始容量是哈希表在创建时的容量，加载因子是哈希表在其容量自动增加之前可以达到多满的一种尺度。
支持泛型：HashMap支持泛型，可以指定键和值的类型，提高代码的安全性和可读性。
key的唯一性：HashMap中的key是唯一的，如果插入重复的key，则会覆盖原有的value。

底层数据结构

HashMap的底层数据结构是数组和链表（或红黑树）的组合，这种数据结构被称为哈希表（Hash Table）。在HashMap中，数据是以键值对的形式存储的，每个键值对被封装成一个Entry对象，其中包含了键和值。

数组：HashMap底层实际上是一个一维数组，数组的每个元素是一个单向链表（或红黑树）的头节点。
链表或红黑树：当两个键的哈希值相同时，它们会被放置在同一个数组位置上，形成一个链表（或红黑树）。在JDK 1.8及以后的版本中，当链表长度超过8时，链表会转换为红黑树以提高查找效率；当链表长度小于6时，红黑树会转换回链表以节省空间。

常用方法

HashMap提供了多种常用方法来支持其操作，包括但不限于：

put(K key, V value)：将指定的键与值映射存放到Map集合中。如果键已存在，则更新其值。
get(Object key)：返回指定键所映射的值，如果键不存在，则返回null。
size()：返回Map集合中数据数量。
clear()：清空Map集合中的所有元素。
isEmpty()：判断Map集合中是否有数据，如果没有则返回true，否则返回false。
remove(Object key)：删除Map集合中键为key的数据，并返回其所对应的value值。
values()：返回Map集合中所有value组成的Collection集合。
containsKey(Object key)：判断集合中是否包含指定键，包含返回true，否则返回false。
containsValue(Object value)：判断集合中是否包含指定值，包含返回true，否则返回false。
keySet()：返回Map集合中所有key组成的Set集合。
entrySet()：将Map集合每个key-value转换为一个Entry对象并返回由所有的Entry对象组成的Set集合。

HashMap的这些特点、底层数据结构以及常用方法使得它在Java开发中有着广泛的应用，特别是在需要快速查找、插入和删除操作的场景中。

TreeMap（掌握）

Java中的TreeMap是一种实现了Map接口和SortedMap接口的有序映射表，

特点

有序性：TreeMap通过其键的自然顺序或者通过创建时提供的Comparator进行排序，保证了映射的顺序性。
唯一性：TreeMap中的键是唯一的，不允许存在重复的键，但值可以重复。
非线程安全：TreeMap不是线程安全的，如果在多线程环境下使用，需要进行适当的同步控制。
高效性：TreeMap的底层基于红黑树实现，确保了插入、删除和查找操作的高效性，这些操作的时间复杂度通常为O(log n)，其中n是映射中键值对的数量。
内存占用：由于内部采用红黑树数据结构，TreeMap的内存占用相对较高，比HashMap稍微大一些。

底层数据结构

TreeMap的底层数据结构是红黑树（Red-Black Tree），这是一种自平衡的二叉查找树。红黑树通过特定的性质（如节点是红色或黑色、每个叶子节点（NIL节点，空节点）是黑色的、每个红色节点的两个子节点都是黑色的、从任一节点到其每个叶子的所有路径都包含相同数目的黑色节点）来维护树的平衡，从而保证了高效的查找、插入和删除操作。

常用方法

TreeMap提供了多种常用方法，包括但不限于：

put(K key, V value)：向映射中添加一个键值对。如果映射以前包含该键的映射关系，则替换旧值（可选操作）。
get(Object key)：返回指定键所映射的值；如果此映射不包含该键的映射关系，则返回null。
remove(Object key)：如果存在一个键的映射关系，则将其从映射中移除（可选操作）。
containsKey(Object key)：如果此映射包含指定键的映射关系，则返回true。
isEmpty()：如果此映射不包含任何键-值映射，则返回true。
size()：返回此映射中的键值对数量。
clear()：从此映射中移除所有映射关系（可选操作）。
firstKey()：返回此映射中当前第一个（最低）键。
lastKey()：返回此映射中当前最后一个（最高）键。
keySet()：返回此映射中包含的键的Set视图。
values()：返回此映射中包含的值的Collection视图。
entrySet()：返回此映射中包含的映射的Set视图。

需要注意的是，在使用TreeMap时，如果键没有实现Comparable接口且没有提供Comparator，则会在运行时抛出ClassCastException。此外，TreeMap不允许键为null，但可以在自定义排序的情况下允许值为null（具体取决于Comparator的实现）。

总的来说，TreeMap在需要保持键值对映射顺序的场景下非常有用，它通过红黑树数据结构实现了高效的键值对存储、添加、删除和查找操作。

LinkedHashMap

Java中的LinkedHashMap是一种特殊的Map实现，它在HashMap的基础上增加了一个双向链表，以保持键值对的插入顺序或访问顺序。

特点

有序性：LinkedHashMap可以保持键值对的插入顺序或访问顺序，这取决于构造方法中的accessOrder参数。
- 当accessOrder为false时（默认值），迭代顺序与插入顺序一致。
- 当accessOrder为true时，迭代顺序为访问顺序，即最近访问的元素会被移动到链表的尾部，最近最少访问的元素会排在链表的前面。
性能：尽管LinkedHashMap在插入和删除元素时由于需要维护双向链表而略慢于HashMap，但在迭代访问时，随着元素个数的增加，其迭代效率会比HashMap高很多，因为可以利用链表结构快速遍历。
非线程安全：LinkedHashMap不是线程安全的，如果需要在多线程环境下使用，需要进行适当的同步控制或使用Collections.synchronizedMap进行封装。
允许null键和null值：与HashMap相同，LinkedHashMap也允许键和值都为null，但每个键只能映射到最多一个值。

底层数据结构

LinkedHashMap的底层数据结构是由一个哈希表（基于数组和链表/红黑树）和一个双向链表组成。

哈希表：用于存储键值对，其结构与HashMap相同，通过哈希码和数组索引快速定位到具体的桶（bucket），桶内可能是一个链表或红黑树，用于解决哈希冲突。
双向链表：每个节点除了存储键值对外，还包含指向前驱节点和后继节点的指针，用于维护元素的插入顺序或访问顺序。

常用方法

LinkedHashMap继承了HashMap的所有方法，并提供了以下常用方法（部分方法已在HashMap中介绍，但在此列出以强调其在LinkedHashMap中的适用性）：

构造方法：
- LinkedHashMap()：创建一个默认容量和负载因子的空LinkedHashMap。
- LinkedHashMap(int initialCapacity)：创建一个指定初始容量和默认负载因子的空LinkedHashMap。
- LinkedHashMap(int initialCapacity, float loadFactor)：创建一个指定初始容量和负载因子的空LinkedHashMap。
- LinkedHashMap(int initialCapacity, float loadFactor, boolean accessOrder)：创建一个指定初始容量、负载因子和访问顺序的空LinkedHashMap。
- LinkedHashMap(Map<? extends K, ? extends V> m)：创建一个包含给定Map元素的LinkedHashMap，插入顺序为给定Map元素的顺序。
增删改查：
- put(K key, V value)：向LinkedHashMap中插入键值对。
- get(Object key)：获取指定键对应的值。如果accessOrder为true，则在访问节点后，会将其移动到链表的尾部。
- remove(Object key)：从LinkedHashMap中删除指定键值对。
- clear()：清空LinkedHashMap中的所有键值对。
判断与获取：
- containsKey(Object key)：判断LinkedHashMap中是否包含指定的键。
- containsValue(Object value)：判断LinkedHashMap中是否包含指定的值。
- size()：返回LinkedHashMap中键值对的个数。
- isEmpty()：判断LinkedHashMap是否为空。
视图方法：
- keySet()：返回LinkedHashMap中所有键的Set视图。
- values()：返回LinkedHashMap中所有值的Collection视图。
- entrySet()：返回LinkedHashMap中所有键值对的Set视图。

ConcurrentHashMap

Java中的ConcurrentHashMap是一个高效且线程安全的哈希表实现，它在多线程环境下提供了比Hashtable更高的并发性能。

特点

高性能：ConcurrentHashMap采用了分段锁（在JDK 1.7及之前版本）或CAS（Compare-And-Swap）和synchronized关键字（在JDK 1.8及之后版本）等机制，实现了高效的并发访问，使得多线程环境下的读写操作更加高效。
线程安全：ConcurrentHashMap是线程安全的，允许多个线程同时读写数据，而无需外部同步。它通过内部锁机制或CAS操作来保证数据的一致性和线程安全性。
分段锁/锁分离：在JDK 1.7及之前版本中，ConcurrentHashMap通过将哈希表分成多个段（Segment），每个段都有独立的锁，从而实现了锁分离。这样，不同的线程可以同时访问不同的段，提高了并发性能。而在JDK 1.8及之后版本中，虽然不再显式地使用分段锁，但每个Node（或桶）的更新操作仍然是线程安全的，通过CAS和synchronized关键字来保证。
弱一致性：ConcurrentHashMap提供了弱一致性的原则，即当一个线程进行写入后，不保证其他线程立即可见修改结果。这种设计是为了提供更好的吞吐量和减少同步开销。
不支持空键值对：ConcurrentHashMap不允许键（key）和值（value）为null，如果尝试插入null键值对，会抛出NullPointerException异常。
动态扩容：当哈希表中的元素数量超过负载因子与当前容量的乘积时，ConcurrentHashMap会自动进行扩容，以维护良好的性能。

底层数据结构

JDK 1.7及之前版本：底层采用分段锁（Segment）机制，每个Segment内部是一个类似于HashMap的结构，包含一个哈希表（数组+链表）。
JDK 1.8及之后版本：底层采用Node数组+链表/红黑树的结构。当链表长度超过一定阈值时，会自动转换为红黑树，以提高查询效率。同时，使用CAS和synchronized关键字来保证线程安全。

常用方法

put(K key, V value)：向ConcurrentHashMap中插入键值对。如果键已存在，则更新其对应的值。
get(Object key)：根据键获取对应的值。如果键不存在，则返回null。
remove(Object key)：根据键删除键值对，并返回被删除的值。如果键不存在，则返回null。
putIfAbsent(K key, V value)：仅当键不存在时，才向ConcurrentHashMap中插入键值对。如果键已存在，则不进行任何操作，并返回已存在的值。
computeIfAbsent(K key, Function<? super K,? extends V> mappingFunction)：如果指定的键不存在，则计算其值，并将其与键关联（或放入）到映射中，除非为null。
computeIfPresent(K key, BiFunction<? super K,? super V,? extends V> remappingFunction)：如果指定的键存在且其值不为null，则对其值应用给定的函数，并将返回值与键关联（或放入）到映射中，替换旧值。
entrySet()、keySet()、values()：分别返回映射中包含的键值对集合、键集合和值集合的视图。
forEach(BiConsumer<? super K,? super V> action)：对映射中的每个键值对执行给定的操作。

综上所述，ConcurrentHashMap是Java并发编程中一个非常重要的数据结构，它通过高效的并发机制和动态扩容能力，为多线程环境下的数据操作提供了强大的支持。

identityHashMap

Java中的IdentityHashMap是一种特殊的哈希表实现，它基于对象的引用相等性（而非equals()方法）来比较键。

特点

引用相等性：IdentityHashMap在比较键时，使用的是对象的引用相等性（即==操作符），而不是equals()方法。这意味着两个对象即使内容相同，但如果它们不是同一个对象的引用，那么在IdentityHashMap中将被视为不同的键。
非通用性：IdentityHashMap不是通用的Map实现，它故意违反了Map接口的一般契约，即要求在比较对象时使用equals()方法。因此，它仅用于需要引用相等语义的极少数情况。
性能：在大多数情况下，IdentityHashMap的性能与HashMap相似，因为它也使用了哈希表来存储键值对。但是，由于它不需要调用对象的equals()和hashCode()方法，因此在某些情况下可能会表现出更好的性能（特别是当这些方法的实现较为复杂时）。
非线程安全：IdentityHashMap不是线程安全的，如果需要在多线程环境下使用，需要进行适当的同步控制。

底层数据结构

IdentityHashMap的底层数据结构是一个Object数组，用于存储键值对。但是，与HashMap不同，IdentityHashMap并没有使用链表或红黑树来解决哈希冲突。相反，它直接将键和值存储在数组中，每个键值对占据数组中的两个连续位置（一个用于键，一个用于值）。

当添加元素时，IdentityHashMap会根据键的引用哈希码计算出一个索引值，并将键值对存储在数组的相应位置。如果发生哈希冲突（即不同的键计算出了相同的索引值），则由于IdentityHashMap不使用链表或红黑树，这种情况通常不会直接出现。然而，如果数组容量不足，IdentityHashMap会进行扩容操作，以容纳更多的键值对。

常用方法

IdentityHashMap提供了与HashMap类似的常用方法，但由于其特殊的键比较方式，这些方法的行为可能会有所不同。以下是一些常用的方法：

put(K key, V value)：将指定的键值对添加到映射中。如果映射中已经包含了该键的映射，则旧值将被替换为新值。
get(Object key)：返回指定键所映射的值；如果此映射不包含该键的映射，则返回null。
containsKey(Object key)：如果此映射包含指定键的映射，则返回true。
containsValue(Object value)：如果此映射将一个或多个键映射到指定值，则返回true。
remove(Object key)：如果存在该键的映射，则将其从此映射中移除；返回被移除的值，如果不存在该键的映射，则返回null。
size()：返回此映射中的键值对数量。
isEmpty()：如果此映射不包含任何键值对，则返回true。

HashTable（过时）

Java中的Hashtable是一个经典的集合类，用于存储键值对。

特点

线程安全：Hashtable是线程安全的，这意味着多个线程可以同时访问它而不会出现数据竞争问题。它通过方法级同步来实现线程安全，但这种同步机制也带来了一定的性能开销。
不允许null键和null值：与HashMap不同，Hashtable不允许键或值为null。如果尝试插入null键或值，将抛出NullPointerException。
可序列化：Hashtable实现了Serializable接口，因此可以将其序列化到流中，以便在网络中传输或保存到文件中。
容量和负载因子：Hashtable有默认的初始容量（通常为11）和负载因子（通常为0.75）。当哈希表中的元素数量超过负载因子与当前容量的乘积时，哈希表会进行扩容。
旧式API：尽管Hashtable在Java集合框架中仍然可用，但它被视为一种旧式的API。在Java 2平台中引入了HashMap作为更现代、更灵活的替代品。

底层数据结构

Hashtable的底层数据结构是基于哈希表的，具体来说，它是由一个数组和一个哈希函数组成。数组中的每个元素都可以看作是一个“桶”或“存储桶”，用于存储键值对。在JDK 1.8及以后的版本中，为了处理哈希冲突（即不同的键映射到同一个索引位置），每个桶可能是一个链表或者是一个红黑树（当链表长度超过一定阈值时）。通过哈希函数，Hashtable能够将键映射到数组的索引位置，从而实现快速存取和查找。

常用方法

Hashtable提供了一系列用于操作键值对的方法，包括添加、获取、删除和检查等。以下是一些常用的方法：