集合下篇—Map和Set 源码分析

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Map

Map不同于Collection集合，Map存放的是键值对，且键不能重复

1 .HashMap (底层是哈希表，Java中用链表的数组实现，存取顺序不一致)

这篇博客主要讲集合的，哈希表这样的数据结构就不说明了，后期会补充哈希表，红黑树这样的博文

• 开头变量（太长不截图了，直接复制源码过来解释，如果能看懂英文解释就更好拉）

static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // 初始化桶容量16

/**
 * The maximum capacity, used if a higher value is implicitly specified
 * by either of the constructors with arguments.
 * MUST be a power of two <= 1<<30.
 */
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;	//最大容量2^31

/**
 * The load factor used when none specified in constructor.
 */
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;		//默认装载因子，后面解释

/**
 * The bin count threshold for using a tree rather than list for a
 * bin.  Bins are converted to trees when adding an element to a
 * bin with at least this many nodes. The value must be greater
 * than 2 and should be at least 8 to mesh with assumptions in
 * tree removal about conversion back to plain bins upon
 * shrinkage.
 */
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;		//当链表节点小于8个时，转成红黑树

/**
 * The bin count threshold for untreeifying a (split) bin during a
 * resize operation. Should be less than TREEIFY_THRESHOLD, and at
 * most 6 to mesh with shrinkage detection under removal.
 */
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;	//树形元素小于6个时，转成链表

/**
 * The smallest table capacity for which bins may be treeified.
 * (Otherwise the table is resized if too many nodes in a bin.)
 * Should be at least 4 * TREEIFY_THRESHOLD to avoid conflicts
 * between resizing and treeification thresholds.
 */
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;		//桶的最小可能转化树形结构的大小

//链表的节点
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final int hash;
        final K key;
        V value;
        Node<K,V> next;

    	//还重写了equals方法，可以看出键值相等才相等
    	public final boolean equals(Object o) {
            if (o == this)
                return true;
            if (o instanceof Map.Entry) {
                Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>)o;
                if (Objects.equals(key, e.getKey()) &&
                    Objects.equals(value, e.getValue()))
                    return true;
            }
            return false;
        }
}

• put (相当于Collection的add)

634行 是解决null情况才加了判断
624行 大于8转成红黑树
652行 新值覆盖旧值，返回旧值

• get

556行 为空返回null,否则返回节点的值
568行 计算的Hash值在桶上才行，而且桶不为空
573行 开始，遍历链表或者红黑树找相同的节点返回，没找到就返回Null

• remove

public V remove(Object key) {
    Node<K,V> e;
    return (e = removeNode(hash(key), key, null, false, true)) == null ? null : e.value;
}

//删除节点的逻辑
final Node<K,V> removeNode(int hash, Object key, Object value,
                               boolean matchValue, boolean movable) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, index;
        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
            (p = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
            Node<K,V> node = null, e; K k; V v;
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                node = p;
            else if ((e = p.next) != null) {
                if (p instanceof TreeNode)
                    node = ((TreeNode<K,V>)p).getTreeNode(hash, key);
                else {
                    do {
                        if (e.hash == hash &&
                            ((k = e.key) == key ||
                             (key != null && key.equals(k)))) {
                            node = e;
                            break;
                        }
                        p = e;
                    } while ((e = e.next) != null);
                }
            }
            if (node != null && (!matchValue || (v = node.value) == value ||
                                 (value != null && value.equals(v)))) {
                if (node instanceof TreeNode)
                    ((TreeNode<K,V>)node).removeTreeNode(this, tab, movable);
                else if (node == p)
                    tab[index] = node.next;
                else
                    p.next = node.next;
                ++modCount;
                --size;
                afterNodeRemoval(node);
                return node;
            }
        }
        return null;
    }

和get方法差不多，先判断在不在桶上且或不为空
先去桶上找，找不到就遍历，遍历到了就记住这个节点
判断红黑树还是链表，执行各自删除节点操作

总结

• 允许Key，value为null
• 哪条链长于8 那条链就转成红黑树
• 线程不安全，有快速失败机制，后几篇博文会说明
• 当size > 桶数 * factor时候会再散列，即桶数*2倍，如果开始就设置桶大小就省去了再散列耗损
• 因为再散列，所以不同时期遍历顺序可能不一样
• 桶大小二次幂：Hash值太大，不适合映射数组位置，桶大小%Hash值当作位置，2次幂方便位运算，功能等于取模但却快很多

2. Hashtable（已经过时）

• 线程安全，用synchronized修饰，不推荐使用，牺牲锁来换取同步

• 用ConcurrentHashMap代替，1.7/1.8用不同机制解决同步问题

• 不能为null

3. LinkedHashMap（哈希表+双向链表+有序）

• 继承了HashMap，二者大致相同，但因多了双向链表，所以访问有序了
• 访问顺序分为：插入顺序，访问顺序
• 可以为null，不同步

3.1 链表的结点

• Map集合定义了Entry<K，V>接口，他是结点的原型，下面列举了接口重要的方法：equals，hashCode，比较器Comparator

/**
     * A map entry (key-value pair).  The <tt>Map.entrySet</tt> method returns
     * a collection-view of the map, whose elements are of this class.  The
     * <i>only</i> way to obtain a reference to a map entry is from the
     * iterator of this collection-view.  These <tt>Map.Entry</tt> objects are
     * valid <i>only</i> for the duration of the iteration; more formally,
     * the behavior of a map entry is undefined if the backing map has been
     * modified after the entry was returned by the iterator, except through
     * the <tt>setValue</tt> operation on the map entry.
     *
     * @see Map#entrySet()
     * @since 1.2
     */
interface Entry<K,V> {

    boolean equals(Object o);

    int hashCode();

    public static <K extends Comparable<? super K>, V> Comparator<Map.Entry<K,V>> comparingByKey() {
            return (Comparator<Map.Entry<K, V>> & Serializable)
                (c1, c2) -> c1.getKey().compareTo(c2.getKey());
        }
}

• HashMap中继承了该接口

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {内容就不写了，参考上面}

• 而LinkedHashMap又继承了HashMap的Node接口，并命名为Entry，多了头尾指向，有点混，捋捋就好

static class Entry<K,V> extends HashMap.Node<K,V> {
        Entry<K,V> before, after;
        Entry(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
            super(hash, key, value, next);
        }
    }

3.2 结构图

• 默认用插入顺序的
• 黑色部分为HashMap结构图，而红色部分则属于新增的LinkedHashMap内容，其实就是维护了一个双向链表

3.3 构造方法

• 参数顺序为初始化容量，影响因子以及是否访问顺序，默认构造函数为false

public LinkedHashMap(int initialCapacity,float loadFactor,boolean accessOrder) {
       super(initialCapacity, loadFactor);
       this.accessOrder = accessOrder;
}

//默认构造
public LinkedHashMap() {
        super();
        accessOrder = false;
}

3.4 存储有序

• 这里的有序分为插入顺序和访问顺序，下面会用代码测试说明，之前还要来认识一下几个方法：

返回值	方法名	解释
Set< K>	keySet()	返回包含所有key的Set集合
Set<Map.Entry<K,V>>	entrySet()	返回包含所有entry的Set集合

• Map遍历方式

//1.根据key集合访问
for (Object k : map.keySet()){
	System.out.println(map.get(k));
}

//2.根据迭代器
Iterator iterator = map.entrySet().iterator();
while(iterator.hasNext()){
		System.out.println(iterator.next());
}

//3.推荐，foreach，如果创建map集合指定了泛型就不用下面那么麻烦强转了
for(Map.Entry<Object,Object> entry : (Set<Map.Entry<Object, Object>>) map.entrySet()){
	System.out.println(entry.getKey() + "=" +entry.getValue());
}

• 为什么有序

//新建结点
Node<K,V> newNode(int hash, K key, V value, Node<K,V> e) {
	LinkedHashMap.Entry<K,V> p = new LinkedHashMap.Entry<K,V>(hash, key, value, e);
    linkNodeLast(p);   //因为创建结点的时候加入到维护的双向链表尾去了
    return p;
}

//加入到链尾，开头变量维护了 head，和tail结点
private void linkNodeLast(LinkedHashMap.Entry<K,V> p) {
	LinkedHashMap.Entry<K,V> last = tail;
	tail = p;
	if (last == null)
        head = p;
	else {
        p.before = last;
        last.after = p;
	}
}

//维护的变量
transient LinkedHashMap.Entry<K,V> head;
/**
 * The tail (youngest) of the doubly linked list.
 */
transient LinkedHashMap.Entry<K,V> tail;

• 测试

按插入顺序来访问，因为获取的entrySet()被重写了，获取的时是维护的链表set集合

LinkedHashMap<Integer,Integer>  linkedHashMap = new LinkedHashMap();

linkedHashMap.put(1, 1);
linkedHashMap.put(2, 2);
linkedHashMap.put(3, 3);
linkedHashMap.put(4, 4);
linkedHashMap.put(5, 5);

for(Map.Entry entry : linkedHashMap.entrySet()){
	System.out.println(entry);
}

1=1
2=2
3=3
4=4
5=5

按访问顺序来访问，这里的get（）就算是访问了

LinkedHashMap<Integer,Integer>  linkedHashMap = new LinkedHashMap(10,0.75f,true);

linkedHashMap.put(1, 1);
linkedHashMap.put(2, 2);
linkedHashMap.put(3, 3);
linkedHashMap.put(4, 4);
linkedHashMap.put(5, 5);

//访问了3，所以结构被改变了
linkedHashMap.get(3);

for(Map.Entry entry : linkedHashMap.entrySet()){
	System.out.println(entry);
}

1=1
2=2
4=4
5=5
3=3

总结

当需要键值对，且还需插入顺序访问的时候采用LinkedHashMap，因为内部还要维护双向链表，损耗性能，不然对比二者推荐使用HashMap

4. TreeMap （Key不能为空，要排序）

• 底层红黑树，是个平衡树，节省查找时间（类似于二分查找？? 以后复习算法写博文时回来填坑）
• 用Comparable，Comparator排序，默认自然排序
• key不能为空，下面563行可以看出，会抛出NullPointerException异常

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• put

• get

• remove

608行 删除结点还是要平衡结点，很难，有兴趣去看看二叉查找树，平衡树，红黑树

• 补充

构造方法

//默认构造没有比较器
public TreeMap() {
	comparator = null;
}

//也可以传入比较器
public TreeMap(Comparator<? super K> comparator) {
	this.comparator = comparator;
}

继承关系

• 当时在Map接口下找TreeMap,找了好久没找到，结果是实现了AbstractMap接口
• 发现TreeMap是实现了NavigableMap接口，而后者又继承SortedMap接口，其中定义了下面方法使得有序

/**
 * Returns the comparator used to order the keys in this map, or
 * {@code null} if this map uses the {@linkplain Comparable
 * natural ordering} of its keys.
 *
 * @return the comparator used to order the keys in this map,
 *         or {@code null} if this map uses the natural ordering
 *         of its keys
 */
Comparator<? super K> comparator();

遍历

利用父类的successor遍历树

static <K,V> TreeMap.Entry<K,V> successor(Entry<K,V> t) {
	if (t == null)
		return null;
	else if (t.right != null) {
		Entry<K,V> p = t.right;
	while (p.left != null)
		p = p.left;
		return p;
    } else {
        Entry<K,V> p = t.parent;
        Entry<K,V> ch = t;
        while (p != null && ch == p.right) {
              ch = p;
              p = p.parent;
        }
        return p;
	}
}

三. Set——无序,不可重复

Set集合底层用的就是Map，所以看过Map集合后再来看Set集合简直太简单,下面看看怎么使用Map集合

1. HashSet

• 注意其构造函数，底层用的是HashMap，而Set集合存的不是键值对怎么办？

• Set的值存入Map的键里面，而Map的全部值存放同一个Object，开头变量就定义了一个空对象

其余都和HashMap一致，不再赘述

2. TreeSet

• 和TreeMap一致，懒得说了

3. LinkedHashMap

• 和LinkedHashMap一致，懒得说了

总结

Set集合和Map集合一样，那就没什么好说的了

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• 源码基于JDK1.8

• API参考 http://www.matools.com/api/java8