Java中的集合之Map接口的实现类

于 2020-07-21 23:54:13 发布
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分类专栏： JavaSE 文章标签： java
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本文详细探讨了Java中的Map接口及其常见实现类，包括HashMap、LinkedHashMap、TreeMap、Hashtable和Properties。HashMap是使用最频繁的实现类，允许null键和值。LinkedHashMap保持插入顺序，而TreeMap则根据key进行排序。同时，文章讲解了存储结构、常用方法以及内存结构，特别是HashMap在JDK 7.0和8.0的底层实现原理。此外，还介绍了如何使用Properties读取配置文件和Collection工具类的功能，如排序、查找和同步控制。

摘要生成于 C知道 ，由 DeepSeek-R1 满血版支持， 前往体验 >

Map接口

  • Map与Collection并列存在。用于保存具有映射关系的数据:key-value
  • Map中的key和value都可以是任何引用类型的数据
  • Map中的key用set来存放，不允许重复，即同一个Map对象所对应的类，须重写 hashCode()和 equals()方法
  • 常用 String类作为Map的“键”
  • key和value之间存在单向一对一关系，即通过指定的key总能找到唯一的、确定的value
  • Map接口的常用实现类:HashMap、TreeMap、LinkedHashMap和Properties。其中，HashMap是Map接口使用频率最高的实现类

一、常见实现类的结构

在这里插入图片描述

|----Map:双列数据，存储key-value对的数据   ---类似于高中的函数：y = f(x)
 	|----HashMap:作为Map的主要实现类；线程不安全的，效率高；存储null的key和value
      	|----LinkedHashMap:保证在遍历map元素时，可以照添加的顺序实现遍历。
                原因：在原的HashMap底层结构基础上，添加了一对指针，指向前一个和后一个元素。对于频繁的遍历操作，此类执行效率高于HashMap。
 	|----TreeMap:保证照添加的key-value对进行排序，实现排序遍历。此时考虑key的自然排序或定制排序底层使用红黑树
 	|----Hashtable:作为古老的实现类；线程安全的，效率低；不能存储null的key和value
      	|----Properties:常用来处理配置文件。key和value都是String类型
      	
HashMap的底层： 数组+链表  （JDK 7.0及之前)
           数组+链表+红黑树 （JDK 8.0以后)
1、HashMap
  • HashMap是Map接口使用频率最高的实现类。
  • 允许使用null键和null值，与 HashSet一样，不保证映射的顺序。
  • 所有的key构成的集合是set：无序的、不可重复的。所以，key所在的类要重写equals()和 hashCode()
  • 所有的value构成的集合是Collection：无序的、可以重复的。所以，value所在的类要重写:equals()
  • 一个key-value构成一个entry
  • 所有的entry构成的集合是Set：无序的、不可重复的
  • HashMap判断两个key相等的标准是：两个key通过equals()方法返回true，hashCode值也相等。
  • HashMap判断两个value相等的标准是：两个value通过equals()方法返回true.
2、LinkedHashMap
  • LinkedHashMap底层使用的结构与HashMap相同，因为LinkedHashMap继承于HashMap.
  • 区别就在于：LinkedHashMap内部提供了Entry，替换HashMap中的Node.
  • 与Linkedhash Set类似，LinkedHashMap可以维护Map的迭代顺序：迭代顺序与Key-value对的插入顺序一致
3、TreeMap
  • TreeMap存储Key-Value对时，需要根据key-value对进行排序。TreeMap可以保证所有的 Key-Value对处于有序状态。
  • TreeSet底层使用红黑树结构存储数据
  • TreeMap的Key的排序:
    • 自然排序： TreeMap的所有的Key必须实现Comparable接口，而且所有的Key应该是同一个类的对象，否则将会抛出ClasssCastEXception()
    • 定制排序：创建 TreeMap时，传入一个 Comparator对象，该对象负责对TreeMap中的所有key进行排序。此时不需要Map的Key实现Comparable接口
  • TreeMap判断两个key相等的标准：两个key通过 compareTo()方法或者compare()方法返回0.
4、Hashtable
  • Hashtable是个古老的Map实现类，JDK1.0就提供了。不同于 HashMap，Hashtable是线程安全的.
  • Hashtable实现原理和HashMap相同，功能相同。底层都使用哈希表结构，查询速度快，很多情况下可以互用
  • 与HashMap.不同，Hashtable不允许使用null作为key和value.
  • 与HashMap一样，Hashtable也不能保证其中Key-value对的顺序.
  • Hashtable判断两个key相等、两个value相等的标准，与HashMap-致.
5、Properties
  • Properties类是Hashtable的子类，该对象用于处理属性文件
  • 由于属性文件里的key、value都是字符串类型，所以Properties里的key和value都是字符串类型
  • 存取数据时，建议使用setProperty(String key,String value)方法和getProperty(String key)方法
//Properties:常用来处理配置文件。key和value都是String类型
public static void main(String[] args)  {
    FileInputStream fis = null;
    try {
        Properties pros = new Properties();

        fis = new FileInputStream("jdbc.properties");
        pros.load(fis);//加载流对应的文件

        String name = pros.getProperty("name");
        String password = pros.getProperty("password");

        System.out.println("name = " + name + ", password = " + password);
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    } finally {
        if(fis != null){
            try {
                fis.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

二、存储结构的理解

  • Map中的key:无序的、不可重复的，使用Set存储所的key —> key所在的类要重写equals()和hashCode() （以HashMap为例)
  • Map中的value:无序的、可重复的，使用Collection存储所的value —>value所在的类要重写equals()
  • 一个键值对：key-value构成了一个Entry对象。
  • Map中的entry:无序的、不可重复的，使用Set存储所的entry
    在这里插入图片描述

三、常用方法

1、添加、删除、修改操作：
  • Object put(Object key,Object value)：将指定key-value添加到(或修改)当前map对象中
  • void putAll(Map m):将m中的所有key-value对存放到当前map中
  • Object remove(Object key)：移除指定key的key-value对，并返回value
  • void clear()：清空当前map中的所有数据
2、元素查询的操作：
  • Object get(Object key)：获取指定key对应的value
  • boolean containsKey(Object key)：是否包含指定的key
  • boolean containsValue(Object value)：是否包含指定的value
  • int size()：返回map中key-value对的个数
  • boolean isEmpty()：判断当前map是否为空
  • boolean equals(Object obj)：判断当前map和参数对象obj是否相等
3、元视图操作的方法：
  • Set keySet()：返回所有key构成的Set集合
  • Collection values()：返回所有value构成的Collection集合
  • Set entrySet()：返回所有key-value对构成的Set集合

总结：

  • 添加：put(Object key,Object value)
  • 删除：remove(Object key)
  • 修改：put(Object key,Object value)
  • 查询：get(Object key)
  • 长度：size()
  • 遍历：keySet() / values() / entrySet()

四、内存结构说明

1、HashMap在JDK7.0中的实现原理：
1.1、HashMap的存储结构：

JDK 7.0及以前的版本：HashMap是数组+链表结构（地址链表法）

JDK 8.0版本以后：HashMap是数组+链表+红黑树实现在这里插入图片描述

1.2、对象创建和添加过程：

HashMap map = new HashMap():

在实例化以后，底层创建了长度是16的一维数组Entry[] table。

  • 首先，调用key1所在类的hashCode()计算key1哈希值，此哈希值经过某种算法计算以后，得到在Entry数组中的存放位置。
  • 如果此位置上的数据为空，此时的key1-value1添加成功。 ----情况1
  • 如果此位置上的数据不为空，(意味着此位置上存在一个或多个数据(以链表形式存在)),比较key1和已经存在的一个或多个数据的哈希值：
    • 如果key1的哈希值与已经存在的数据的哈希值都不相同，此时key1-value1添加成功。----情况2
    • 如果key1的哈希值和已经存在的某一个数据(key2-value2)的哈希值相同，继续比较：调用key1所在类的equals(key2)方法，比较：
      • 如果equals()返回false:此时key1-value1添加成功。----情况3
      • 如果equals()返回true:使用value1替换value2。

补充：关于情况2和情况3：此时key1-value1和原来的数据以链表的方式存储。

在不断的添加过程中，会涉及到扩容问题，当超出临界值(且要存放的位置非空)时，扩容。默认的扩容方式：扩容为原来容量的2倍，并将原有的数据复制过来。

1.3、HashMap的扩容

当HashMap中的元素越来越多的时候，hash冲突的几率也就越来越高，因为数组的长度是固定的。所以为了提高查询的效率，就要对 HashMap的数组进行扩容，而在HashMap数组扩容之后，原数组中的数据必须重新计算其在新数组中的位置，并放进去，这就是 resize。

1.4、HashMap扩容时机

当HashMap中的元素个数超过数组大小（数组总大小 length，不是数组中个数）* loadFactor时，就会进行数组扩容，loadFactor的默认值(DEFAULT_LOAD_ FACTOR)为0.75，这是一个折中的取值。也就是说，默认情况下，数组大小(DEFAULT INITIAL CAPACITY)为16，那么当 HashMap中元素个数超过16 * 0.75=12（这个值就是代码中的 threshold值，也叫做临界值）的时候，就把数组的大小扩展为2 * 16=32，即扩大一倍，然后重新计算每个元素在数组中的位置，而这是一个非常消耗性能的操作，所以如果我们已经预知 HashMap中元素的个数，那么预设元素的个数能够有效的提高HashMap的性能。

2、HashMap在JDK 8.0底层实现原理：
2.1、HashMap的存储结构：

HashMap的内部存储结构其实是数组+链表+红黑树的组合。
在这里插入图片描述

2.2、HashMap添加元素的过程：

当实例化一个HashMap时，会初始化 initialCapacity和loadFactor，在put第一对映射关系时，系统会创建一个长度为 initialCapacity的Node数组，这个长度在哈希表中被称为容量（Capacity），在这个数组中可以存放元素的位置我们称之为“桶”（ bucket），每个bucket都有自己的索引，系统可以根据索引快速的查找bucket中的元素。

每个 bucket中存储一个元素，即一个Node对象，但每一个Noe对象可以带个引用变量next，用于指向下一个元素，因此，在一个桶中，就有可能生成一个Node链。也可能是一个一个 TreeNode对象，每一个Tree node对象可以有两个叶子结点left和right，因此，在一个桶中，就有可能生成一个TreeNode树。而新添加的元素作为链表的last，或树的叶子结点。

2.3、HashMap的扩容机制:
  • 当HashMapl中的其中一个链的对象个数没有达到8个和JDK 7.0以前的扩容方式一样。
  • 当HashMapl中的其中一个链的对象个数如果达到了8个，此时如果 capacity没有达到64，那么HashMap会先扩容解决，如果已经达到了64，那么这个链会变成树，结点类型由Node变成 Tree Node类型。当然，如果当映射关系被移除后，下次resize方法时判断树的结点个数低于6个，也会把树再转为链表。
2.4、JDK 8.0与JDK 7.0中HashMap底层的变化：
  1. new HashMap():底层没有创建一个长度为16的数组
  2. JDK 8.0底层的数组是：Node[],而非Entry[]
  3. 首次调用put()方法时，底层创建长度为16的数组
  4. JDK 7.0底层结构只有：数组+链表。JDK 8.0中底层结构：数组+链表+红黑树。
    • 形成链表时，七上八下（jdk7:新的元素指向旧的元素。jdk8：旧的元素指向新的元素）
    • 当数组的某一个索引位置上的元素以链表形式存在的数据个数 > 8 且当前数组的长度 > 64时，此时此索引位置上的所数据改为使用红黑树存储。
3、HashMap底层典型属性的属性的说明：
  • DEFAULT_INITIAL_CAPACITY : HashMap的默认容量，16
  • DEFAULT_LOAD_FACTOR：HashMap的默认加载因子：0.75
  • threshold：扩容的临界值，= 容量*填充因子：16 * 0.75 => 12
  • TREEIFY_THRESHOLD：Bucket中链表长度大于该默认值，转化为红黑树:JDK 8.0引入
  • MIN_TREEIFY_CAPACITY：桶中的Node被树化时最小的hash表容量:64
4、LinkedHashMap的底层实现原理
  • LinkedHashMap底层使用的结构与HashMap相同，因为LinkedHashMap继承于HashMap.
  • 区别就在于：LinkedHashMap内部提供了Entry，替换HashMap中的Node.
  • 与Linkedhash Set类似，LinkedHashMap可以维护Map的迭代顺序：迭代顺序与Key-value对的插入顺序一致

HashMap中内部类Node源码：

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V>{
    final int hash;
    final K key;
    V value;
    Node<K,V> next;
}

LinkedHashM中内部类Entry源码：

static class Entry<K,V> extends HashMap.Node<K,V> {
    Entry<K,V> before, after;//能够记录添加的元素的先后顺序
    Entry(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
        super(hash, key, value, next);
    }
}

五、TreeMap的使用

向TreeMap中添加key-value，要求key必须是由同一个类创建的对象 要照key进行排序：自然排序 、定制排序

//自然排序
@Test
public void test() {
    TreeMap map = new TreeMap();
    User u1 = new User("Tom", 23);
    User u2 = new User("Jarry", 18);
    User u3 = new User("Bruce", 56);
    User u4 = new User("Davie", 23);

    map.put(u1, 98);
    map.put(u2, 16);
    map.put(u3, 92);
    map.put(u4, 100);

    Set entrySet = map.entrySet();
    Iterator iterator = entrySet.iterator();
    while (iterator.hasNext()) {
        Object obj = iterator.next();
        Map.Entry entry = (Map.Entry) obj;
        System.out.println(entry.getKey() + "=" + entry.getValue());
    }
}

//定制排序：按照年龄大小排
@Test
public void test2() {
    TreeMap map = new TreeMap(new Comparator() {
        @Override
        public int compare(Object o1, Object o2) {
            if (o1 instanceof User && o2 instanceof User) {
                User u1 = (User) o1;
                User u2 = (User) o2;
                return Integer.compare(u1.getAge(), u2.getAge());
            }
            throw new RuntimeException("输入数据类型错误");
        }
    });
    User u1 = new User("Tom", 23);
    User u2 = new User("Jarry", 18);
    User u3 = new User("Bruce", 56);
    User u4 = new User("Davie", 23);

    map.put(u1, 98);
    map.put(u2, 16);
    map.put(u3, 92);
    map.put(u4, 100);

    Set entrySet = map.entrySet();
    Iterator iterator = entrySet.iterator();
    while (iterator.hasNext()) {
        Object obj = iterator.next();
        Map.Entry entry = (Map.Entry) obj;
        System.out.println(entry.getKey() + "=" + entry.getValue());
    }
}

六、使用Properties读取配置文件

代码示例：

//Properties:常用来处理配置文件。key和value都是String类型
public static void main(String[] args)  {
    FileInputStream fis = null;
    try {
        Properties pros = new Properties();

        fis = new FileInputStream("jdbc.properties");
        pros.load(fis);//加载流对应的文件

        String name = pros.getProperty("name");
        String password = pros.getProperty("password");

        System.out.println("name = " + name + ", password = " + password);
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    } finally {
        if(fis != null){
            try {
                fis.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }

        }
    }

}

Collection工具类的使用

1.作用：

Collections是一个操作Set、Lit和Map等集合的工具类

Collections中提供了一系列静态的方法对集合元素进行排序、査询和修改等操作，还提供了对集合对象设置不可变、对集合对象实现同步控制等方法

2.常用方法：

2.1排序操作
  • reverse(List)：反转 List 中元素的顺序
  • shuffle(List)：对 List 集合元素进行随机排序
  • sort(List)：根据元素的自然顺序对指定 List 集合元素升序排序
  • sort(List，Comparator)：根据指定的 Comparator 产生的顺序对 List 集合元素进行排序
  • swap(List，int， int)：将指定 list 集合中的 i 处元素和 j 处元素进行交换

代码示例：

@Test
public void test1() {
    List list = new ArrayList();
    list.add(123);
    list.add(43);
    list.add(765);
    list.add(-97);
    list.add(0);
    System.out.println(list);//[123, 43, 765, -97, 0]

    //reverse(List)：反转 List 中元素的顺序
    Collections.reverse(list);
    System.out.println(list);//[0, -97, 765, 43, 123]

    //shuffle(List)：对 List 集合元素进行随机排序
    Collections.shuffle(list);
    System.out.println(list);//[765, -97, 123, 0, 43]

    //sort(List)：根据元素的自然顺序对指定 List 集合元素按升序排序
    Collections.sort(list);
    System.out.println(list);//[-97, 0, 43, 123, 765]

    //swap(List，int， int)：将指定 list 集合中的 i 处元素和 j 处元素进行交换
    Collections.swap(list,1,4);
    System.out.println(list);//[-97, 765, 43, 123, 0]
}
2.2查找、替换
  • Object max(Collection)：根据元素的自然顺序，返回给定集合中的最大元素
  • Object max(Collection，Comparator)：根据 Comparator 指定的顺序，返回给定集合中的最大元素
  • Object min(Collection)
  • Object min(Collection，Comparator)
  • int frequency(Collection，Object)：返回指定集合中指定元素的出现次数
  • void copy(List dest,List src)：将src中的内容复制到dest中
  • boolean replaceAll(List list，Object oldVal，Object newVal)：使用新值替换 List 对象的所旧值

代码示例：

@Test
public void test2(){
    List list = new ArrayList();
    list.add(123);
    list.add(123);
    list.add(123);
    list.add(43);
    list.add(765);
    list.add(-97);
    list.add(0);
    System.out.println(list);//[123, 43, 765, -97, 0]
    //Object max(Collection)：根据元素的自然顺序，返回给定集合中的最大元素
    Comparable max = Collections.max(list);
    System.out.println(max);//765

    //Object min(Collection)
    Comparable min = Collections.min(list);
    System.out.println(min);//-97

    //int frequency(Collection，Object)：返回指定集合中指定元素的出现次数
    int frequency = Collections.frequency(list,123);
    System.out.println(frequency);//3

    //void copy(List dest,List src)：将src中的内容复制到dest中
    List dest = Arrays.asList(new Object[list.size()]);
    System.out.println(dest.size());//7
    Collections.copy(dest,list);
    System.out.println(dest);//[123, 123, 123, 43, 765, -97, 0]
    //boolean replaceAll(List list，Object oldVal，Object newVal)：使用新值替换 List 对象的所有旧值
}
2.3 同步控制

Collections 类中提供了多个 synchronizedXxx() 方法，该方法可使将指定集合包装成线程同步的集合，从而可以解决多线程并发访问集合时的线程安全问题
image-20200429115211668
代码示例：

@Test
public void test3() {
    List list = new ArrayList();
    list.add(123);
    list.add(123);
    list.add(123);
    list.add(43);
    list.add(765);
    list.add(-97);
    list.add(0);
    System.out.println(list);//[123, 43, 765, -97, 0]
    //返回的list1即为线程安全的List
    List list1 = Collections.synchronizedList(list);
    System.out.println(list1);//[123, 123, 123, 43, 765, -97, 0]
}
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