Java集合框架详解
本文深入探讨Java中的集合框架，包括List、Set、Queue和Map的基本概念与应用。特别聚焦于Map的各种实现，如HashMap、LinkedHashMap、TreeMap、WeakHashMap和ConcurrentHashMap，详细解析它们的特性、使用场景及内部工作原理。
我们从学习c语言开始，就已经开始使用“数组“，数组是保存一组对象的最有效的方式，如果你想保存一组基本的数据类型，也推荐这种方式，但是数组具有固定的尺寸，而在一般情况中，我们在写代码的时候，不知道需要多少个对象，或者 是否需要更复杂的方式来存储对象，因此，数组尺寸固定这样一个条件就过于受限了。在Java中，有一套相当完整的容器来解决这个问题，其中基本的类型是List、Set、Queue和Map，这些对象称为集合类，但是由于Java的类库中使用了Collection这个名字来指代类库的一个特殊子集，所以，我们常用“容器”来称呼他们
1、基本概念
1）Collection：一个独立元素的序列，这些元素都服从一条或多条规则。List必须按照插入的顺序来保存元素，Set不能有重复的元素
2）Map：一组成对的“键值对”对象，允许用键来查找值
1.2、Map和Collection的区别
- Map 存储的是键值对形式的元素，键唯一，值可以重复。
- Collection 存储的是单列元素，子接口Set元素唯一，子接口List元素可重复。
- Map集合的数据结构值针对键有效，跟值无关，Collection集合的数据结构是针对元素有效
2、Map（映射）理解
2.1、Map实现
| HashMap | Map基于散列表的实现（取代了HashTable）。插入和查询“键值对”的开销是固定的，可以通过构造器设置容量和负载因子，以调整容器的性能 |
|---|---|
| LinkedHashMap | 类似于HashMap，但是迭代器遍历他时，取得“键值对”的顺序是其插入次序，或者是最近最少使用的次序，只比HashMap慢一点，而在迭代器访问时反应更快，因为它使用链表维护内部次序 |
| TreeMap | 基于红黑树的实现，查看“键”或“键值对”时，他们会被排序。TreeMap的特点在于，所得到的的结果都是经过排序的。TreeMap是唯一的带有subMap()方法的Map，他可以返回一个子树 |
| WeakHashMap | 弱键映射，允许释放映射所指向的对象，这是为解决某类特殊问题而设计的，如果映射之外没有引用某个“键”，则此键可以被垃圾收集器回收 |
| ConCurrentHashMap | 一种线程安全的Map，不涉及同步加锁 |
2.2、Map的常用方法
- 插入（put、putAll()）
- 删除（remove()）
- 获取（entrySet()、get()、keySet()、size()、values()）
- 判断（containsKey()、containsValue()、equals()、isEmpty()）
- 清除（clear()）
- 替换（replace()，replace(K key, V oldValue, V newValue)
打印类型
//打印Map类型
public static void test(Map<Integer,String> map){
System.out.println(map.getClass().getSimpleName());
}
public static void main(String[] args) {
test(new HashMap<Integer, String>());
test(new LinkedHashMap<Integer, String>());
}
插入
//插入方法
public static void printKeys(Map<Integer,String > map){
System.out.println("size="+map.size());
System.out.println("Keys="+map.keySet());
}
public static void test(Map<Integer,String> map){
System.out.println(map.getClass().getSimpleName());
map.put(1,"hello");
map.put(2,"world");
map.put(3,"!!!");
printKeys(map);
}
public static void main(String[] args) {
test(new HashMap<Integer, String>());
test(new LinkedHashMap<Integer, String>());
}
删除
//删除方法
public static void printKeys(Map<Integer,String > map){
System.out.println("size="+map.size());
System.out.println("Keys="+map.keySet());
}
public static void test(Map<Integer,String> map){
System.out.println(map.getClass().getSimpleName());
map.put(1,"hello");
map.put(2,"world");
map.put(3,"!!!");
printKeys(map);
map.remove(2);
printKeys(map);
}
public static void main(String[] args) {
test(new HashMap<Integer, String>());
test(new LinkedHashMap<Integer, String>());
}
获取
//获取方法
public static void printKeys(Map<Integer,String > map){
//主要在这里
System.out.println("size="+map.size());
System.out.println("Keys="+map.keySet());
System.out.println("values="+map.values());
System.out.println("get="+map.get(1));
System.out.println("entrySet="+map.entrySet());
}
public static void test(Map<Integer,String> map){
System.out.println(map.getClass().getSimpleName());
map.put(1,"hello");
map.put(2,"world");
map.put(3,"!!!");
printKeys(map);
}
public static void main(String[] args) {
test(new HashMap<Integer, String>());
test(new LinkedHashMap<Integer, String>());
}
判断
//判断比较containsKey()、containsValue()，一个比较“键”，一个比较“值”
public static void printKeys(Map<Integer,String > map){
System.out.println("size="+map.size());
System.out.println("Keys="+map.keySet());
}
public static void test(Map<Integer,String> map){
System.out.println(map.getClass().getSimpleName());
map.put(1,"hello");
map.put(2,"world");
map.put(3,"!!!");
printKeys(map);
System.out.println(map.containsKey(3));
System.out.println(map.containsKey(6));
System.out.println(map.containsValue("!!!"));
System.out.println(map.containsValue("..."));
}
public static void main(String[] args) {
test(new HashMap<Integer, String>());
test(new LinkedHashMap<Integer, String>());
}
//equals用来比较两个map是否相等
public static void printKeys(Map<Integer,String > map){
System.out.println("size="+map.size());
System.out.println("Keys="+map.keySet());
}
public static void test(Map<Integer,String> map){
Map<Integer,String> map2=new HashMap<>();
System.out.println(map.getClass().getSimpleName());
map.put(1,"hello");
map.put(2,"world");
map.put(3,"!!!");
printKeys(map);
System.out.println(map.equals(map2));
map2.put(1,"hello");
map2.put(2,"world");
map2.put(3,"!!!");
System.out.println(map.equals(map2));
}
public static void main(String[] args) {
test(new HashMap<Integer, String>());
test(new LinkedHashMap<Integer, String>());
}
//判空
public static void printKeys(Map<Integer,String > map){
System.out.println("size="+map.size());
System.out.println("Keys="+map.keySet());
}
public static void test(Map<Integer,String> map){
System.out.println(map.getClass().getSimpleName());
map.put(1,"hello");
map.put(2,"world");
map.put(3,"!!!");
printKeys(map);
System.out.println(map.isEmpty());
map.remove(1,"hello");
map.remove(2,"world");
map.remove(3,"!!!");
printKeys(map);
System.out.println(map.isEmpty());
}
public static void main(String[] args) {
test(new HashMap<Integer, String>());
test(new LinkedHashMap<Integer, String>());
}
清空
//清空
public static void printKeys(Map<Integer,String > map){
System.out.println("size="+map.size());
System.out.println("Keys="+map.keySet());
}
public static void test(Map<Integer,String> map){
System.out.println(map.getClass().getSimpleName());
map.put(1,"hello");
map.put(2,"world");
map.put(3,"!!!");
printKeys(map);
map.clear();
printKeys(map);
}
public static void main(String[] args) {
test(new HashMap<Integer, String>());
test(new LinkedHashMap<Integer, String>());
}
代替
public static void printKeys(Map<Integer,String > map){
System.out.println("size="+map.size());
System.out.println("Keys="+map.keySet());
System.out.println("value="+map.values());
}
public static void test(Map<Integer,String> map){
System.out.println(map.getClass().getSimpleName());
map.put(1,"hello");
map.put(2,"world");
map.put(3,"!!!");
printKeys(map);
map.replace(1,"2");
map.replace(4,"2");
printKeys(map);
}
public static void main(String[] args) {
test(new HashMap<Integer, String>());
test(new LinkedHashMap<Integer, String>());
}
3、HashMap的简单介绍
3.1、HashMap内部结构
HashMap在JDK1.8之后是基于哈希表和红黑树实现的，JDK1.8之前只基于哈希表
3.2、基本映射操作
HashMap也被称为散列映射，散列映射比较函数只能作用于键，与键关联的值不能进行散列或比较
TreeMap被称为树散列，树散列用键的整体顺序对元素进行排序，并将其组织成搜索树
Map中的方法，HashMap全都有
3.3、HashMap源码解析
内部属性
负载因子：final float loadFactor（默认为0.75f）
实际容量：int threshold= loadFactor*tab.length；
树化阈值：int TREEIFY_THRESHOLD=8
解除树化阈值：int UNTREEIFY_THRESHOLD=6
HashMap也采用懒加载策略，第一次put时初始化哈希表
树化逻辑：索引下标对应的链表长度达到阈值8，并且当前哈希表长度达到64才会树化，否则只是调用resize方法进行哈希表扩容，扩容为原先数组的2倍
负载因子过大会导致哈希冲突明显增加，节省内存
负载因子过小会导致哈希表频繁冲突，内存利用率低
JDK1.8为何要引入红黑树？
当链表长度过长，会将哈希表查找的时间复杂度退化为O（n）
树化保证即便在哈希冲突严重时，查找时间复杂度也为O（logn）
当红黑树节点个数在扩容或删除元素时减少为6以下，在下次resize过程中会将红黑树退化为链表
4、TreeMap
TreeMap是SortedMap唯一实现，可以确保键处于排序状态，这使得它具有额外的功能，这些功能由SortedMap接口中的下列方法提供：
| 方法 | 功能 |
|---|---|
| Comparator comparator() | 返回当前 Map使用的Comparator，或者返回null，表示以自然方式排序 |
| T firstKey() | 返回Map中的第一个键 |
| T LastKey() | 返回Map中的最末一个键 |
| Sorted subMap(formKey,toKey) | 生成Map的子集，范围由fromKey（包含）到toKey（不包含）的键确定 |
| Sorted headMap(toKey) | 生成此Map的子集，由键小于toKey的所有键值对组成 |
| Sorted tailMap(fromKey) | 生成此Map的子集，由键大于fromKey的所有键值对组成 |
TreeMap中键值对都是按键的次序排列的，TreeMap中的次序是有意义的，因此“位置”的概念才有意义，所以才能取得第一个和最后一个元素，并且可以提取Map的子集
5、LinkedHashMap
LinkedHashMap用来记住插入顺序，这样就可以避免在散列表中的项从表面上看是随机排列的，如上图，当条目插入到表中，，就会并入双向链表中
6、equals
HashMap使用equals( )判断当前的键是否与表中存在的键相同，正确的equals( )必须满足下列5个条件：
| 性质 | 含义 |
|---|---|
| 自反性 | 对于任意x，x.equals(x)一定返回true |
| 对称性 | 对任意的x和y，如果x.equals(y)返回true，那么，y.equals(x)也返回true |
| 传递性 | 对于任意的x、y、z，如果x.equals(y)返回true，y.equals(z)也返回true，那么，x.equals(z)一定返回true |
| 一致性 | 对于任意的x，y，如果对象中用于等价比较的信息没有改变，那么无论调用x.equals(y)多少次，返回的结果应该保持一致，要么一致是true，要么一致是flase |
| null | 对任何不是null的x，x.equals(null)一定返回flase |
hashCode和equals的关系
hashCode：取得任意一个对象的哈希码
equals：比较两个对象是否相等
hashCode返回值相等的两个对象，equals不一定相等（x与f（x）的关系）
equals返回值相等的两个对象，hashCode一定相等
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