Java入门记(五)：容器关系的梳理（下）——Map

注意：阅读本文及相关源码时，需要数据结构相关知识，包括：哈希表、链表、红黑树。

　　Map是将键(key)映射到值(value)的对象。不同的映射不能包含相同的键；每个键最多只能映射到一个值。下图是常见Map的接口和实现。与Collection相比，继承关系简单不少。

一、Map接口和AbstractMap抽象类

　　Map接口除了增加映射、根据key获取value、判断映射中的key或value是否存在、删除映射的基本方法外，还包含了返回包含所有key的Set、包含所有value的collection的方法。由于key不能重复，返回的Collection自然具有Set的属性，很适合用Set返回。而value则不行。

　　与其他Collection接口不同，Map接口中有一个子接口：Entry。Entry代表了一个映射，包含了key和value两部分，同时，一个Enry的key没有提供修改方法，而value允许修改。需要说明的是，如果用一个可变对象作为Map的key，若变化后equals()与之前的行为不同，那么映射的行为是不确定的（JDK1.6文档）。

　　对于抽象类AbstractMap，大部分实现的方法借助了将所有entry组成的set返回的抽象方法entrySet()：size()、isEmpty()（使用size()）、containsValue()、containsKey()、get()、clear()、keySet()、values()等。而remove()、removeAll()、retainAll()、clear()、toString()则借助了抽象方法iterator()。

　　values()返回值value的是一个匿名内部类实现的AbstractCollection。value在第一次访问时创建，在后续所有访问中返回。虽然不进行元素的同步，其引用几乎总是不变的，但返回值的行为会随着Map中的元素变化：

public Collection<V> values() {
    if (values == null) {
        values = new AbstractCollection<V>() {
        　　public Iterator<V> iterator() {
           　　return new Iterator<V>() {
            　　private Iterator<Entry<K,V>> i = entrySet().iterator();

            　　public boolean hasNext() {
                　　return i.hasNext();
            　　}

            　　public V next() {
              　　  return i.next().getValue();
            　　}

            　　public void remove() {
              　　  i.remove();
            　　}
          　　};
            }

        　　public int size() {
           　　return AbstractMap.this.size();
        　　}

        　　public boolean contains(Object v) {
           　　 return AbstractMap.this.containsValue(v);
        　　 }
        };
    }
    return values;
}

　　对于Map.Entry，AbstractMap中实现了两个键值对类型：SimpleEntry和SimpleImmutableEntry。后者与前者的区别是，不允许setValue()，调用该方法抛出UnsupportedOperationException异常。

二、HashMap/LinkedHashMap/WeakHashMap

　　在Java入门记(四)：容器关系的梳理（上）——Collection一文中提到，HashSet/LinkedHashSet的底层实际是HashMap/LinkedHashMap。HashMap和一般的散列表实现方式相同，用数组存放相同哈希值的元素所组成队列的首元素，队列的元素是Entry，包括了key、value、hash值、next等属性。寻找指定key时，先做哈希，根据哈希值找到数组中对应的队列头，遍历队列找出key及对应的value。

　　由于HashMap允许null作为key，这个key没办法做哈希值的计算，只能遍历哈希值数组，找到首元素的key为null的队列。这个实现可以参考私有方法getForNullKey()。

　　HashMap的key的哈希值数组有一个容量限制：必须为2的幂次。即使在新建HashMap时或调用resize()时指定一个非2的幂次的容量，实际调用时新的HashMap容量也会扩大到不小于这个指定容量的2的幂次的值。与之相关联地，哈希值的计算hash()和某个hash值在数组的索引的计算indexFor()方式为：

static int hash(int h) {
        // This function ensures that hashCodes that differ only by
        // constant multiples at each bit position have a bounded
        // number of collisions (approximately 8 at default load factor).
        h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
        return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}

static int indexFor(int h, int length) {
    return h & (length-1);
}

2的幂次可以保证计算索引时适当的截断（舍弃高位）。

　　LinkedHashMap与HashMap的关系并不像LinkedList和ArrayList那样。从结构上来看，LinkedHashMap仅仅是把所有的Entry组成了一个双向链表。这样，在迭代遍历时，可以使用插入顺序或LRU顺序访问所有元素（通过设置accessOrder标记位）。

　　WeakHashMap和HashMap很类似，其内部包含了一个ReferenceQueue，并且它的Entry是继承自WeakReference的。通过这种方式，在clear()、resize()、size()、getTable()时，都会调用expungeStaleEntries()方法，垃圾回收掉不再使用的映射关系。这里不介绍Reference的相关内容了。

　　思考下上一篇文章所提出的问题：是不是可以先实现HashSet，再用HashSet实现HashMap？个人认为，这样实现的HashSet中的元素（对应Map的Entry），只有键没有值，是无法直接实现HashMap的。

二、Hashtable/Properties

　　Hashtable虽然实现了Map接口，但没有用AbstractMap来做。它的行为与HashMap很相似，保留下来是为了兼容原来的代码，不推荐继续使用。

　　继承了Hashtable<Object,Object>的Properties稍有点不同，它与流的关系密切些，可保存在流中或从流中加载。另外，它是线程安全的。

三、SortedMap和TreeMap

　　SortedMap中的所有元素都是排过序的。这个“排序”不同于LinkedHashMap中将所有元素组织成一个链表，而是指任意任意两个元素都可以比较大小关系，并根据这个比较规则Comparator进行排序。更准确的说，是键的大小关系。建立在有序的基础上，SortedMap接口中包含了返回部分Map的方法subMap(K fromKey, K toKey)、headMap(K toKey)、tailMap(K fromKey)以及首尾key的方法firstKey()、lastKey()。

　　TreeMap是SortedMap的一个实现，其Compartor可以为null，这种情况下比较元素大小时调用元素自身的compareTo()方法。

　　TreeMap实际上使用了红黑树，保存了树的根。关于红黑树的算法，讲起来可以单独开一篇文章，这里不展开了，想了解的读者可以读下《算法导论》的相关章节。TreeMap的元素插入、删除其实是红黑树节点的插入和删除。在元素有序的前提下，找到特定的key（以及对应的value）同样是使用了红黑树的查找方法。