java集合之Map

在Java中，Map是一种用于存储**键值对（Key-Value Pair）**的集合，广泛应用于数据缓存、快速查找等场景。

一、Map核心接口

java.util.Map接口定义了键值对的基本操作：

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二、常见Map实现类对比

实现类	数据结构	线程安全	有序性	允许Null键/值	时间复杂度（平均）
HashMap	数组+链表/红黑树	否	无序	允许	O(1)
LinkedHashMap	链表+哈希表	否	插入顺序或访问顺序	允许	O(1)
TreeMap	红黑树	否	键的自然排序或自定义	不允许Null键	O(log n)
ConcurrentHashMap	分段锁+哈希表	是	无序	不允许Null键/值	O(1)
Hashtable	数组+链表	是（全表锁）	无序	不允许	O(1)

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三、HashMap深度解析

1. 内部结构

• 数组（桶）：初始容量（默认16），负载因子（默认0.75）。

• 链表与红黑树：当链表长度≥8时，链表转为红黑树；当红黑树节点≤6时，退化为链表。

2. 哈希冲突解决

• 链地址法：相同哈希值的键值对以链表形式存储。

• 再哈希法：通过hash()方法二次计算哈希值（扰动函数减少碰撞）。

3. 扩容机制

• 触发条件：当元素数量 > 容量 × 负载因子时扩容。

• 扩容过程：新建2倍容量数组，重新计算键的哈希并分配到新桶（耗时操作）。

4. 线程安全性

   • 非线程安全：多线程并发修改可能导致死循环（JDK1.7链表头插法）或数据丢失。

   • 替代方案：使用ConcurrentHashMap或Collections.synchronizedMap()。

四、ConcurrentHashMap（JDK8+）

1. 分段锁优化

• 数据结构：数组 + 链表/红黑树（同HashMap），但使用CAS + synchronized实现线程安全。

• 锁粒度：锁单个桶（链表头节点），减少锁竞争。

2. 关键方法

• putVal()：

3. 性能优势

• 高并发读：无锁访问（volatile变量保证可见性）。

• 写操作：仅锁定当前桶，其他桶可并行操作。

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五、TreeMap与红黑树

1. 有序性实现

• 自然排序：键需实现Comparable接口。

• 自定义排序：通过Comparator指定排序规则。

2. 红黑树特性

• 自平衡二叉查找树：确保查找、插入、删除的时间复杂度为O(log n)。

• 五大规则：

  1. 节点是红色或黑色。

  2. 根节点是黑色。

  3. 叶子节点（NIL）是黑色。

  4. 红色节点的子节点必须是黑色。

  5. 任意节点到叶子节点的路径包含相同数量的黑色节点。

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六、LinkedHashMap与LRU缓存

1. 维护插入顺序

• 双向链表：在哈希表基础上维护条目插入顺序。

• 访问顺序模式：

2. LRU缓存实现

• 最近最少使用：将最近访问的条目移动到链表末尾，淘汰链表头部条目。

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七、Map的使用场景与选择建议

场景	推荐实现	理由
高频查询，无并发	HashMap	查询速度快，内存占用小
高并发读写	ConcurrentHashMap	分段锁保证线程安全，性能高
需要排序	TreeMap	自然或自定义顺序遍历
LRU缓存	LinkedHashMap	内置淘汰策略，维护访问顺序
遗留系统兼容	Hashtable	线程安全但性能低，通常不推荐新项目使用

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八、Map的性能优化

1. 合理初始化容量：减少扩容次数。

1. 避免哈希冲突：重写hashCode()和equals()方法，确保键的散列均匀。

2. 选择合适实现：根据线程安全和排序需求选择Map类型。

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九、常见问题

Q1：HashMap与Hashtable的区别？

• 线程安全：Hashtable全表锁，性能低；HashMap非线程安全。

• Null支持：Hashtable不允许Null键/值，HashMap允许。

Q2：ConcurrentHashMap如何保证线程安全？

• JDK7：分段锁（Segment）。

• JDK8+：CAS + synchronized锁单个桶。

Q3：如何实现线程安全的LRU缓存？

• 使用LinkedHashMap并重写removeEldestEntry()，或结合ConcurrentHashMap和双向链表。

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通过深入理解Map的实现原理及适用场景，可以在开发中灵活选择最优数据结构，提升系统性能和代码可维护性。