JAVA基础知识之Map集合

• Map的内部结构Entry

1. Set与Map的关系
2. Map的内部类Entry
3. Map的通用方法及Map的简单用法

• HashMap和HashTable的区别

1. HashMap和HashTable判断元素相等的标准
2. 可变对象对HashMap的影响

• LinkedHashMap的特征
• Properties 的特征
• SortedMap接口和TreeMap类的特征
• WeekHashMap
• IdentifyHashMap与HashMap的区别
• EnumMap的特征
• 各种Map实现类的性能分析

Map的内部结构

Set和Map的关系

Map由key-value对组成，key不可以重复（因为无序），Map接口定义了一个Set keySet();方法用来返回所有key.即所有key组成了一个Set集合。

Map中key集合与集合容器Set非常相似，因此Map和Set的子集也非常相似，从名字上看，Set集合有HashSet, LinkeHashSet, SortedSet, TreeSet, EnumSet;而Map有HashMap, LinkedHashMap, SortedMap, TreeMap, EnumMap等子接口和实现类。Set和Map中的key集合的存储方式完全相同，从JDK源码来看，JAVA是先实现了Map, 然后包装一个value集为null的Map就实现了Set.

Map的内部类Entry

Map的内部有一个内部类Entry，用来封装key-value对。Entry中的部分方法，Object getKey(); Object getValue(); Object setValue(V value);下面是Map接口JDK源代码中的定义，

 public interface Map
 {
     public static interface Entry
     {

         public abstract Object getKey();

         public abstract Object getValue();

         public abstract Object setValue(Object obj);

         public abstract boolean equals(Object obj);

         public abstract int hashCode();
     }

 ....

下面是Map接口的一个实现类HashMap, 可以看到HashMap的源码中，在内部类Entry中增加了几个私有成员，

 public class HashMap extends AbstractMap
     implements Map, Cloneable, Serializable
 {
     static class Entry
         implements Map.Entry
     {

 ......

         final Object key;
         Object value;
         Entry next;
         int hash;

 //初始化内部类
         Entry(int i, Object obj, Object obj1, Entry entry)
         {
             value = obj1;
             next = entry;
             key = obj;
             hash = i;
         }
     }

 ......

当HashMap要put进新元素时，会初始化一个Entry类来保存key-value对。如下面的JDK源代码，

     public Object put(Object obj, Object obj1)
     {
         if(table == EMPTY_TABLE)
             inflateTable(threshold);
         if(obj == null)
             return putForNullKey(obj1);
         int i = hash(obj);
         int j = indexFor(i, table.length);
         for(Entry entry = table[j]; entry != null; entry = entry.next)
         {
             Object obj2;
             if(entry.hash == i && ((obj2 = entry.key) == obj || obj.equals(obj2)))
             {
                 Object obj3 = entry.value;
                 entry.value = obj1;
                 entry.recordAccess(this);
                 return obj3;
             }
         }

         modCount++;
         addEntry(i, obj, obj1, j);
         return null;
     }

第22行会初始化一个Entry对象，

 ......
     void addEntry(int i, Object obj, Object obj1, int j)
     {
         if(size >= threshold && null != table[j])
         {
             resize(2 * table.length);
             i = null == obj ? 0 : hash(obj);
             j = indexFor(i, table.length);
         }
         createEntry(i, obj, obj1, j);
     }
 ......
     void createEntry(int i, Object obj, Object obj1, int j)
     {
         Entry entry = table[j];
         table[j] = new Entry(i, obj, obj1, entry);
         size++;
     }
 ......

Map接口中定义的方法及Map的简单用法

基本方法有get(Object obj), put(V value), remove(Object obj), putAll(Map map)...

其他方法，故名思议，

containsKey(Object obj);containsValue(Object obj);clear();equals(Object obj);

另外一些方法，解释如下，

public abstract Set keySet(); 返回该Map中所有key组成的Set集合
public abstract Collection values();返回该Map中所有value组成的collection集合
public abstract Set entrySet();返回Map中的所有Entry对象组成的Set集合，一个Entry对象是由key-value对组成。

下面是Map的一个简单用法，

 package collection.map;

 import java.util.HashMap;
 import java.util.Map;

 public class Maps {
     public static void main(String[] args) {
         Map map = new HashMap();
         map.put("a",1);
         map.put("b",2);
         map.put("c",3);
         //key不同时，value可以重复
         map.put("d",4);
         System.out.println(map);
         //key重复时，新的value会覆盖旧的value，同时返回旧的value
         System.out.println(map.put("d", 5));
         System.out.println(map);
         System.out.println(map.containsKey("b"));
         System.out.println(map.containsValue(3));

         for(Object key : map.keySet()) {
             //map.get(key)方法获取value
             System.out.print(map.get(key)+",");
         }
         System.out.print("\n");
         map.remove("c");
         System.out.println(map);
     }
 }

执行结果，

 {d=4, b=2, c=3, a=1}
 4
 {d=5, b=2, c=3, a=1}
 true
 true
 5,2,3,1,
 {d=5, b=2, a=1}

HashMap和Hashtable

HashMap和Hashtable是Map的两个典型的实现类，它们之间的关系与HashSet和Vector完全类似。Hashtable是一个古老的Map实现类，虽然支持安全线程，但现在已经可以通过Collections工具类来同步容器的线程了，所以Hashtable用得非常少。

HashMap和HashTable判断元素相等的标准

与HashSet一样，HashMap和Hashtable判断元素是否相等的标准，也是需要同时满足两个key通过equals方法对比返回true，两个key的hashCode值要相等。在Map接口中已经定义了equals和hashCode方法，所以在HashMap和Hashtable中，必须重写这两个方法，且必须满足上面的规则。下面是一个例子，

 package collection.map;

 import java.util.HashMap;
 import java.util.Hashtable;

 class A {
     int count;
     public A(int count) {
         this.count = count;
     }
     //根据count的值来判断两个对象是否相等
     public boolean equals(Object obj) {
         if (this == obj) return true;
         if (obj != null && obj.getClass() == A.class) {
             A a = (A)obj;
             return this.count == a.count;
         }
         return false;
     }

     //根据count值来计算hashCode
     public int hashCode() {
         return this.count;
     }
 }

 class B {
     //重写equals, B与任何对象比较都返回true
     public boolean equals(Object obj) {
         return true;
     }
 }

 public class HashTables {
     public static void main(String[] args) {
         Hashtable ht = new Hashtable();
         ht.put(new A(100), "a");
         ht.put(new A(200), "b");
         ht.put(new A(300), new B());
         System.out.println(ht);
         //只要两个对象通过equal比较返回true，Hashtable就认为它们的value相等
         //由于此处Hashtable会调用value为B对象的equals做比较，所以总返回true，在HashMap中则返回false
         //这也是Hashtable和HashMap底层containsValue方法的区别
         System.out.println(ht.containsValue("test"));
         //比较key则需要equal相等且hashCode相等
         System.out.println(ht.containsKey(new A(300)));
         System.out.println(ht.containsKey(new A(305)));
         ht.remove(new A(200));
         System.out.println(ht);
     }

 }

执行结果，

 {collection.map.A@12c=collection.map.B@1b5998f, collection.map.A@c8=b, collection.map.A@64=a}
 true
 true
 false
 {collection.map.A@12c=collection.map.B@1b5998f, collection.map.A@64=a}

上面这个例子中可见，Hashtable判断两个元素是否相等（即判断Key是否相等）的标准是，即要equals返回true，又要hashCode相等，而Hashtable判断两个元素的value是否相等，只需要通过equals比较两个value是否返回true，并且这个equals是可以重载的。

可变对象对HashMap的影响

与HashSet类似的是，如果使用可变对象作为HashMap，Hashtable的key，如果程序修改了组成key的可变变量，则也可能会破坏HashMap和Hashtable，导致无法正常访问。

比如下面的例子，

 package collection.map;

 import java.util.HashMap;
 import java.util.Iterator;

 class C {
     int count;
     public C(int count) {
         this.count = count;
     }
     //根据count的值来判断两个对象是否相等
     public boolean equals(Object obj) {
         if (this == obj) return true;
         if (obj != null && obj.getClass() == C.class) {
             C a = (C)obj;
             return this.count == a.count;
         }
         return false;
     }

     //根据count值来计算hashCode
     public int hashCode() {
         return this.count;
     }
 }

 public class HashMapErr {
     public static void main(String[] args) {
         HashMap hm = new HashMap();
         hm.put(new C(100),1);
         hm.put(new C(200), 2);
         hm.put(new C(300), 3);
         Iterator it = hm.keySet().iterator();
         C first = (C)it.next();
         System.out.println(first.count);
         first.count = 500;
         System.out.println(hm);
         //key被修改后，对应的元素无法删除，元素也无法取出
         hm.remove(new C(100));
         System.out.println(hm);
         System.out.println(hm.get(new C(1)));

         //未被修改的key对应的元素可以被删除
         hm.remove(new C(200));
         System.out.println(hm);    

     }
 }

执行结果，

 100
 {collection.map.C@1f4=1, collection.map.C@c8=2, collection.map.C@12c=3}
 {collection.map.C@1f4=1, collection.map.C@c8=2, collection.map.C@12c=3}
 null
 {collection.map.C@1f4=1, collection.map.C@12c=3}

LinkedHashMap的特征

HashSet有一个子类LinkedHashSet，与此类似的是HashMap有一个子类LinkedHashMap。 LinkedHashMap也是一个有序集合，其内部由一个双向链表来维护元素顺序（只需要维护key的顺序），默认顺序为插入元素的顺序，Map的迭代顺序也是根据此双向链表决定的。

LinkedHashMap因为要维护元素顺序，因此插入和删除的性能比起HashMap略低，但是迭代遍历的性能会更高。 下面是一个用LinkedHashMap迭代遍历的例子，

 package collection.map;

 import java.util.LinkedHashMap;
 import java.util.Map;

 public class LinkedHashMaps {
     public static void main(String[] args) {
         Map lhm= new LinkedHashMap();
         lhm.put("a", 1);
         lhm.put("b", 2);
         lhm.put("c", 3);
         System.out.println(lhm);
         lhm.remove("b");
         lhm.put("b", 2);
         System.out.println(lhm);
     }
 }

执行结果，

 {a=1, b=2, c=3}
 {a=1, c=3, b=2}

Properties 的特征

Properties是Hashtable的一个子类，它的key和value都必须是String类型，它可以将一个Map对象和文件IO （inputStream, outputStream)关联起来，通过store(...)方法将Map对象的数据写入文件或者通过load(...)方法从文件读取数据写入Map. Properties还提供了以下方法，getProperty(...), setProperty(...)。下面是它的典型用法，

 package collection.map;

 import java.io.FileInputStream;
 import java.io.FileNotFoundException;
 import java.io.FileOutputStream;
 import java.io.IOException;
 import java.util.Properties;

 public class Propertieses {
     public static void main(String[] args) throws FileNotFoundException, IOException {
         Properties pos = new Properties();
         pos.setProperty("a", "1");
         pos.setProperty("b", "2");
         //write pos to output.txt
         pos.store(new FileOutputStream("output.txt"), "here is a comment line");

         Properties pos2 = new Properties();
         pos2.setProperty("c", "3");
         // read from output.txt and set to pos2
         pos2.load(new FileInputStream("output.txt"));
         System.out.println(pos2);
     }
 }

执行结果，

{b=2, a=1, c=3}

同时，output.txt中写入了pos的内容如下，

#here is a comment line
#Tue Nov 01 14:01:09 CST 2016
b=2
a=1

SortedMap接口和TreeMap类的特征

Set接口派生了一个SortedSet子接口，SortedSet 有一个实现类TreeSet, 与此类似的是，Map接口派生了一个SortedMap子接口，SortedMap子接口有一个实现类TreeMap. TreeMap底层是一个红黑树数据结构，每个节点就是一个key-value对，节点按照key进行排序，TreeMap中和TreeSet一样，也有两种排序方式，即自然排序（由元素实现Comparable控制排序逻辑）和定制排序（在TreeMap集合中传入一个排序逻辑Comparator)， 由于前面已经多次提到这两种排序方式，下面直接给出例子，

 package collection.map;

 import java.util.TreeMap;

 class T implements Comparable {
     int count;
     public T(int count) {
         this.count = count;
     }
     public String toString() {
         return "T[count:"+count+"]";
     }
     public boolean equals(Object obj) {
         if(this==obj) return true;
         if(obj != null && obj.getClass() == T.class) {
             T t = (T)obj;
             return this.count == t.count;
         }
         return false;
     }
     @Override
     public int compareTo(Object obj) {
         T t = (T)obj;
         return this.count - t.count;
     }
 }

 public class TreeMaps {
     public static void main(String[] args) {
         TreeMap tm = new TreeMap();
         tm.put(new T(5), "a");
         tm.put(new T(-3), "b");
         tm.put(new T(9), "c");
         System.out.println(tm);
         System.out.println(tm.firstEntry());
         System.out.println(tm.lastKey());
         System.out.println(tm.higherKey(new T(-3)));
         System.out.println(tm.lowerKey(new T(9)));
         //return sub map
         System.out.println(tm.subMap(new T(-3), new T(9)));
     }
 }

执行结果

 {T[count:-3]=b, T[count:5]=a, T[count:9]=c}
 T[count:-3]=b
 T[count:9]
 T[count:5]
 T[count:5]
 {T[count:-3]=b, T[count:5]=a}

定制排序和HashSet中的定制排序一样，即在TreeMap初始化的时候，传入一个Comparator对象作为参数， 排序逻辑在Comparator中写。

从上面的例子中还可以看到，TreeMap判断两个元素相等的标准是，通过key进行equals比较返回true, 同时通过CompareTo比较key也要返回true。 因此在重写了key中的equals之后，一定要保证CompareTo方法也要返回跟equals一致的结果。

WeakHashMap

WeakHashMap是一种弱引用Map,意思是集合中的key对实际对象只有弱引用， 因此当垃圾回收了该key所对应的实际对象后， WeakHashMap会自动删除该key对应的key-value。 而HashMap是一种强引用，只要HashMap对象没被销毁，key所引用的对象是不会被垃圾回收器回收的，因此HashMap也不会自动删除key-value对。 下面的例子演示了WeakHashMap弱引用,

 package collection.map;

 import java.util.WeakHashMap;

 public class WeekHashMaps {
     public static void main(String[] args) {
         WeakHashMap wm = new WeakHashMap();
         //new String("aa")是匿名对象， WeakHashMap只保留它的弱引用
         wm.put(new String("aa"), 1);
         wm.put(new String("bb"), 2);
         //"cc"是字符串直接量，WeakHashMap保留它的强引用
         wm.put("cc", 3);
         System.out.println(wm);
         //通知系统回收垃圾
         System.gc();
         System.runFinalization();
         //前两个key-value元素将被删除，只能看到最后一个元素
         System.out.println(wm);
     }
 }

执行结果，

 {cc=3, bb=2, aa=1}
 {cc=3}

IdentifyHashMap

IdentifyHashMap与HashMap的实现机制基本相同，不同点是IdentifyHashMap判断两个元素（即两个key)相等的标准不同。HashMap要求两个元素的key通过equals对比返回true，通过hashCode返回的值也相等，则认为这两个元素相等； 而IdentifyHashMap判断两个元素相等的标准是， 当且仅当两个元素的key严格相等（key1 == key2）时，才认为两个元素相等。下面演示IdentifyHashMap的用法，

 package collection.map;

 import java.util.IdentityHashMap;

 public class IdentityHashMaps {
     public static void main(String[] args) {
         IdentityHashMap im = new IdentityHashMap();
         im.put(new String("aa"),1);
         im.put(new String("aa"),2);
         System.out.println(im);
         im.put("bb",3);
         im.put("bb",4);
         System.out.println(im);
     }
 }

可以看到，对于两个匿名对象new String("aa")的key，key1 != key2 ,因此IdentityHashMap会将它们看作不同的key，都添加进集合中。只有下面的两个常量字符串"bb"，由于满足了key1==k2，所以IdentityHashMap只能添加其中一个（第二个覆盖了第一个），执行结果如下，

 {aa=2, aa=1}
 {aa=2, aa=1, bb=4}

EnumMap的特征

EnumMap必须与枚举对象一起使用，EnumMap中所有key必须是单个枚举类的枚举值，EnumMap根据key的自然顺序维护集合顺序。EnumMap内部以数组形式保存，所以性能好。下面示范用法，

 package collection.map;

 import java.util.EnumMap;

 enum Season
 {
     SPRING, SUMMER, FALL, WINTER
 }

 public class EnumMaps {
     public static void main(String[] args) {
         EnumMap em = new EnumMap(Season.class);
         em.put(Season.SPRING, 1);
         em.put(Season.SUMMER, 2);
         System.out.println(em);
     }
 }

执行结果，

{SPRING=1, SUMMER=2}

各种Map实现类的性能分析

对于Map的两个常用实现类HashMap和Hashtable, 其实现机制几乎一样，但是Hashtable是一个古老，保证线程安全的集合，所以要比HashMap性能差。

TreeMap通常要比HashMap和Hashtable性能差，因为TreeMap底层要用红黑树来保持元素的顺序。

TreeMap的一个典型用法是，由于TreeMap中的key总是处于排序状态，可以用keySet()方法获取所有key, 接着用toArray()方法生成一个数组，再用Arrays工具类中的binaryArray()方法对已经排序的key数组进行快速查询对象。

对于一般情况，推荐使用HashMap，HashMap的查询速度也比较快（底层由object[]数组保存Entry对象），只是HashMap没有像TreeMap已经排好序的属性。

LinkedHashMap比HashMap要慢，因为它需要链表来保存元素的添加顺序(用来做集合迭代）。

IdentityHashMap与HashMap底层实现方式相似，性能上没有什么特别之处，只是两者判断元素是否相等的标准不同。

EnumMap的性能最好，但它只能使用同一个枚举类的值作为key.