Java容器：Map

• 1. Map概述
  • 1.1. Map类的继承关系
  • 1.2. 几个Map接口类概念
  • 1.3. Map类的通用方法
• 2. HashMap
  • 2.1. 构造函数
  • 2.2. 数据结构
  • 2.3. 存储实现
• 3. HashTable
• 4. WeakHashMap
• 5. TreeMap
  • 5.1. 数据结构
• 6. 参考文章

1. Map概述

Map是一种把键对象和值对象进行关联的容器。一个值对象又可以是一个Map，以此类推，这样就可以形成一个多级映射。Map容器中的键对象不允许为重复，具有唯一性。值对象则没有唯一性要求。

1.1. Map类的继承关系

1.2. 几个Map接口类概念

• Map 对应映射的抽象接口，不包含重复的键。
• SortedMap 有序的键值对接口。
• NavigableMap 继承SortedMap，具有了针对给定搜索目标返回最接近匹配项的导航方法的接口。
• AbstractMap 实现Map中绝大部分函数的接口，用于减少Map的几个实现类中的重复编码。
• Dictionary 任何可将键映射到相应值的类的抽象父类，目前被Map接口取代。

1.3. Map类的通用方法

Map插入方法：

• void put(Object key,Object value) 最基本的插入方法。
• void putAll(Map map) 假设忽略构建一个需要传递给 putAll() 的 Map 的开销，使用 putAll() 通常也并不比使用大量的 put() 调用更有效率，但 putAll() 的存在一点也不稀奇。这是因为，putAll() 除了迭代 put() 所执行的将每个键值对添加到 Map 的算法以外，还需要迭代所传递的 Map 的元素。但应注意，putAll() 在添加所有元素之前可以正确调整 Map 的大小，因此如果您未亲自调整 Map 的大小（我们将对此进行简单介绍），则 putAll() 可能比预期的更有效。

Map查看方法：

我需要介绍一下Map.Entry类，尽管不是方法而是一个类型，但是作为铺垫还是要谈一下。在HashMap中的Entry类结构如下

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

Entry是存储Map内容的基本单元。在说明了该类后，列出三种Map的查看方法。

• Set entrySet() 返回一个Map.Entry类的对象构成的集合。可以使用getKey(),getValue()来获取需要的Entry类对象，改变entrySet对象也会影响到Map。
• Set keySet() 返回一个由键组成的Set,删除该Set中元素会影响Map中的映射。
• Set valueSet() 返回一个由值组成的Set,删除该Set中元素会影响Map中的映射。
  
  需要特殊注意的是，以上三种方法是查看Map的方法，即对以上三个方法返回的Map进行操作都会影响到原对象。因为以上三个对象均为Set对象，其迭代也应该遵守Set类的Iterator迭代。

Map读取方法：

• Object get(Object key) 最简单的通过键值获取value的方法。
• boolean containsKey(Object key) 检查是否包含某个key。
• boolean containsValue(Object value) 返回检查到的第一个value映射的key。
• boolean isEmpty() 返回Map是否为空。
• int size() 返回Map中条目的数量。

Map删除方法：

• void remove(Object key) 移除某个key对应的value。
• void clear() 清空Map对象。

接下来简单介绍下几个实体类

2. HashMap

2.1. 构造函数

HashMap类构造函数为：

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)
public HashMap(int initialCapacity)
public HashMap()
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m)

从HashMap的构造函数我们能够发现两个概念：初始容量initialCapacity，负载因子loadFactor。这两个参数会影响HashMap的性能。其中，容量表示哈希表中桶的数量，初始容量是创建哈希表时的容量，负载因子是哈希表在容量自动增加之前可以达到多满的一种尺度，它衡量的是一个散列表的空间使用程度，负载因子越大表示散列表的填装程度越高，反之越小。对于使用链表法的散列表来说，查找一个元素的平均时间是O(1+a)，因此如果负载因子越大，对空间的利用更充分，然而后果是查找效率的降低。如果负载因子太小，那么散列表的数据将过于稀疏，对空间造成严重的浪费。系统默认负载因子为0.75，一般情况下不去修改。

我们可以查看HashMap构造函数源码：

    public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
                                               initialCapacity);
        if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
            initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
        if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
            throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
                                               loadFactor);
        this.loadFactor = loadFactor;
        this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
    }

(由于这段算法蛮有趣的，详细的说说tableSizeFor这个函数的内容)

tableSizeFor方法的实现如下：

    static final int tableSizeFor(int cap) {
        int n = cap - 1;
        n |= n >>> 1;
        n |= n >>> 2;
        n |= n >>> 4;
        n |= n >>> 8;
        n |= n >>> 16;
        return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
    }

当实例化HashMap时，如果给定了initialCapacity，由于HashMap的capacity都是2的幂，这个方法用于找到大于等于initialCapacity的最小的2的幂。接下来逐行分析该算法。

int n = cap - 1;

防止cap已经是2的幂，如果已经是2的幂，后面几次右移后得到的capacity将是cap的2倍。另外，如果cap==1,那么n为0，几次右移仍为0，返回的值为n+1，仍为1。

  n |= n >>> 1;

第一次右移，由于n!=0，n的二进制表示不会全为0，且最高位应为1。通过无符号右移1位，则将最高位右移了1位，再和n进行或操作，进而使n的二进制表示中最高位的右边一位也为1。即0……011XXXXX的形式。

  n |= n >>> 2;

n已经经过了一次右移取或操作后，再无符号右移两位，会将最高位两个连续的1右移两位，再与原数进行或操作，最高位会变为4个连续的1。

  n |= n >>> 4;

类似的，使最高位变为8个连续的1，后面两行以此类推，由于容量最大为32bit，因此该过程只持续到16，也就是32个1，但此时已经大于MAXIUM_CAPACITY，所以结果会取MAXIUM_CAPACITY。在右移过程中，如果数字不够大，则会右移为全0，和原数字或操作后会恢复为原数字。因此，这种方法可以最快的获得大于等于一个数字的最小2的幂。之后，这个值被赋值给threshold作为阈值。当HashMap的size达到了这个阈值后会扩容。

（题外话完毕）

在上面给threshold赋值后，首次运行put()操作时，会进行初始化。

2.2. 数据结构

HashMap是一种支持快速存取的数据结构，想要了解其性能必须了解它的数据结构。Java中最常用的两种结构是数组和模拟指针（引用），几乎所有的数据结构都可以用这两种结构来组合实现，HashMap也是如此。HashMap是一个链表散列，它的数据结构大体为一个数组，只是数组的每个项都是一条链表。 参数initialCapacity代表了该数组的长度。

HashMap的Node节点结构如下（省略了一些简单的set,get以及初始化函数）：

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

Node包含了key,value,下一个节点next以及hash值，正因为这样，table数组的每项正式由Node以及其链表所组成。table的声明如下：

transient Node<K,V>[] table;

2.3. 存储实现

HashMap的put方法由于较为复杂，此处就不展开说明。大概过程即，如果key为null，则调用空key的put方法。否则，计算key的hash值，根据hash值搜索在table数组中的索引位置，如果table数组在该位置处有元素，则通过比较是否存在相同的key,若存在则覆盖原来的value（因此HashMap中不会有两个相同的key），否则将元素保存在链头（即最先保存的元素在链尾）。若table数组在该处没有元素，则直接保存。

hash方法相关代码如下：

    static final int hash(Object key) {
        int h;
        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
    }

其中，hashCode()方法为Object()类的原生方法，此处仅仅进行了一次无符号16位位移并异或操作。对于小于16位的数，会为全0，即仍保持原hashCode。

当HashMap中的元素越来越多，则发生碰撞的概率会越来越大，所产生的链表长度就会越来越长，这样将会影响HashMap的速度。为了保证效率，系统需要在上面讲到的临界点数组长度threshold*loadFactor时进行扩容。但扩容是一个很消耗时间的过程，因此，如果我们对数据规模有着预先的估计，那么最好进行预设。

3. HashTable

HashTable是继承自Dictionary实现了Map接口的类。由于对外功能上，HashTable和HashMap基本相同，包括通过initialCapacity和loadFactor进行初始化等操作以及put,get等方法，因此我不再对HashTable进行详解。其和HashMap的主要区别为以下几点：

• 从定义上看，HashTable基于Dictionary类，HashMap基于AbstractMap类，因而HashTable的实现本身要比HashMap复杂。
• HashMap允许值为null的key，且对于value没有任何要求，只要是对象就可以；HashTable遇到null时，会直接抛出NullPointerException异常。
• HashMap仅支持Iterator遍历，HashTable支持Iterator遍历和Enumeration遍历。
• HashTable中方法均有synchronized修饰，是线程安全的。而HashMap方法不是。因此，在多线程操作中，建议使用HashTable。（另外，可以采用Collections类中的静态方法synchronizedMap()来创建一个线程安全的Map对象。synchronizedMap是一个有条件的线程安全变量，单个操作是线程安全的，但多个操作组成的序列则可能导致数据争用。该方法的具体探讨会放在以后说。）

4. WeakHashMap

WeakHashMap是一种特殊的HashMap，简单而言，它的key采用了弱引用WeakReference的方式，关于对象的引用可以参考我的这篇Java基础：Java的四种引用。因此，其特点为，当除了自身的弱引用外，若WeakHashMap中的key没有其他引用（强引用），那么map会自动丢弃此值。需要注意的是，废弃key的回收发生在对WeakHashMap对象的访问时，如果不对其进行访问，则不会释放内部废弃对象。

5. TreeMap

TreeMap的实现基于红黑树，理解了红黑树，也就基本理解了TreeMap。阅读此部分前，需要先阅读我的博文：

二叉树，AVL树和红黑树

5.1. 数据结构

TreeMap继承了NavigableMap接口和AbstractMap类，后者说明其支持Map的所有基本功能，前者说明其支持一系列的导航方法。

TreeMap的Entry类和HashMap相比，略有不同，结构如下：

static final class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        K key;
        V value;
        Entry<K,V> left;
        Entry<K,V> right;
        Entry<K,V> parent;
        boolean color = BLACK;
}

我们可以看到该类包含了基本的key,value以及独有的左子节点left，右子节点right，父节点parent，颜色属性。我们可以发现TreeMap完全就是一棵红黑树。而key和value则是该树存储的信息。其插入，删除元素的方法均符合红黑树的插入，删除方法。具体实现可以自行查阅源代码，大致内容和在二叉树，AVL树和红黑树中已有的伪代码相同。另外，查阅TreeMap代码时，我们很容易发现，TreeMap实现过程中和HashMap一样也并没有考虑线程安全，需要使用时加以注意。

6. 参考文章

Java提高篇（三三）-----Map总结

Java提高篇（二三）-----HashMap

Java提高篇（二七）-----TreeMap

HashMap源码注解 之 静态工具方法hash()、tableSizeFor()（四）

Java提高篇（二五）-----HashTable

SynchronizedMap

Java Map 集合类简介