Map实现类之一：HashMap

概述

  • HashMap是 Map 接口使用频率最高的实现类。
  • 允许使用null键和null值，与HashSet一样，不保证映射的顺序。
  • 所有的key构成的集合是Set：无序的、不可重复的。所以，key所在的类要重写： equals()和hashCode()
  • 所有的value构成的集合是Collection：无序的、可以重复的。所以，value所在的类要重写：equals()
  • 一个key-value构成一个entry，所有的entry构成的集合是Set：无序的、不可重复的
  • HashMap 判断两个 key 相等的标准是：两个 key 通过 equals() 方法返回 true， hashCode 值也相等。
  • HashMap 判断两个 value相等的标准是：两个 value 通过 equals() 方法返回 true。

HashMap的存储结构

HashMap源码中的重要常量：

  1. DEFAULT_INITIAL_CAPACITY : HashMap的默认容量，16
  2. MAXIMUM_CAPACITY ： HashMap的最大支持容量，2^30
  3. DEFAULT_LOAD_FACTOR：HashMap的默认加载因子 ，0.75
  4. TREEIFY_THRESHOLD：Bucket中链表长度大于该默认值，转化为红黑树
  5. UNTREEIFY_THRESHOLD：Bucket中红黑树存储的Node小于该默认值，转化为链表
  6. MIN_TREEIFY_CAPACITY：桶中的Node被树化时最小的hash表容量。（当桶中Node的 数量大到需要变红黑树时，若hash表容量小于MIN_TREEIFY_CAPACITY时，此时应执行 resize扩容操作这个MIN_TREEIFY_CAPACITY的值至少是TREEIFY_THRESHOLD的4 倍。）
  7. table：存储元素的数组，总是2的n次幂
  8. entrySet：存储具体元素的集
  9. size：HashMap中存储的键值对的数量
  10. modCount：HashMap扩容和结构改变的次数。
  11. threshold：扩容的临界值，=容量*填充因子
  12. loadFactor：填充因子

JDK 7及以前版本：HashMap是数组+链表结构(即为链地址法) :

  1.  HashMap的内部存储结构其实是数组和链表的结合。当实例化一个HashMap时， 系统会创建一个长度为Capacity（16）的Entry数组，这个长度在哈希表中被称为容量 (Capacity)，在这个数组中可以存放元素的位置我们称之为“桶”(bucket)，每个 bucket都有自己的索引，系统可以根据索引快速的查找bucket中的元素。

每个bucket中存储一个元素，即一个Entry对象，但每一个Entry对象可以带一个引用变量，用于指向下一个元素，因此，在一个桶中，就有可能生成一个Entry链。 而且新添加的元素作为链表的head。

image.png
添加元素的过程：
向HashMap中添加entry1(key，value)，需要首先计算entry1中key的哈希值(根据 key所在类的hashCode()计算得到)，此哈希值经过处理以后，得到在底层Entry[]数组中要存储的位置i。
如果位置i上没有元素，则entry1直接添加成功。
如果位置i上 已经存在entry2(或还有链表存在的entry3，entry4)，则需要通过循环的方法，依次比较entry1中key和其他的entry。如果彼此hash值不同，则直接添加成功。如果 hash值相同，继续比较二者是否equals。
如果返回值为true，则使用entry1的value 去替换equals为true的entry的value。如果遍历一遍以后，发现所有的equals返回都为false,则entry1仍可添加成功。entry1指向原有的entry元素。
Map接口的主要实现类 - 图2
HashMap的扩容
当HashMap中的元素越来越多的时候，hash冲突的几率也就越来越高，因为数组的长度是固定的。所以为了提高查询的效率，就要对HashMap的数组进行扩容，而在 HashMap数组扩容之后，最消耗性能的点就出现了：原数组中的数据必须重新计算其在新数组中的位置，并放进去，这就是resize。

那么HashMap什么时候进行扩容呢？
当HashMap中的元素个数超过数组大小(数组总大小length,不是数组中个数 size)loadFactor 时 ， 就会进行数组扩容 ， loadFactor 的默认值 (DEFAULT_LOAD_FACTOR)为0.75，这是一个折中的取值。也就是说，默认情况下，数组大小(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)为16，那么当HashMap中元素个数超过160.75=12（这个值就是代码中的threshold值，也叫做临界值）的时候，就把数组的大小扩展为 2*16=32（左移一位），即扩大一倍，然后重新计算每个元素在数组中的位置， 而这是一个非常消耗性能的操作，所以如果我们已经预知HashMap中元素的个数， 那么预设元素的个数能够有效的提高HashMap的性能。

JDK8：HashMap是数组+链表+树的结合 :

HashMap的内部存储结构其实是数组+链表+树的结合。当实例化一个 HashMap时，会初始化initialCapacity和loadFactor，在put第一对映射关系时，系统会创建一个长度为initialCapacity（16）的Node数组，这个长度在哈希表中被称为容量(Capacity)，在这个数组中可以存放元素的位置我们称之为 “桶”(bucket)，每个bucket都有自己的索引，系统可以根据索引快速的查找bucket中的元素。 每个bucket中存储一个元素，即一个Node对象，但每一个Node对象可以带一个引用变量next，用于指向下一个元素，因此，在一个桶中，就有可能生成一个Node链。也可能是一个一个TreeNode（红黑树结点）对象，每一个TreeNode对象可以有两个叶子结点left和right，因此，在一个桶中，就有可能生成一个TreeNode树。而新添加的元素作为链表的last，或树的叶子结点。

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那么HashMap什么时候进行扩容和树形化呢？
扩容时机同jdk1.7一样
树形化：
当HashMap中的其中一个链的对象个数如果达到了8个，此时如果capacity没有达到64，那么HashMap会通过链表的方式扩容解决，但如果数组容量已经达到了64，那么这个链会变成树，结点类型由Node变成TreeNode类型。当然，如果当映射关系被移除后， 下次resize方法时判断树的结点个数低于6个，也会把树再转为链表。

关于映射关系的key是否可以修改？ 不要修改
映射关系存储到HashMap中会存储key的hash值，这样就不用在每次查找时重新计算每一个Entry或Node（TreeNode）的hash值了，因此如果已经put到Map中的映射关 系，再修改key的属性，而这个属性又参与hashcode值的计算，那么会导致匹配不上。

总结：JDK1.8相较于之前的变化

  1. HashMap map = new HashMap();//默认情况下，先不创建长度为16的数组
  2. 当首次调用map.put()时，再创建长度为16的数组
  3. 数组为Node类型，在jdk7中称为Entry类型
  4. 形成链表结构时，新添加的key-value对在链表的尾部（七上八下）
  5. 当数组指定索引位置的链表长度>8时，且map中的数组的长度> 64时，此索引位置上的所有key-value对使用红黑树进行存储。

面试题：负载因子值的大小，对HashMap有什么影响

  1. 负载因子的大小决定了HashMap的数据密度。
  2. 负载因子越大密度越大，发生碰撞的几率越高，数组中的链表越容易长, 造成查询或插入时的比较次数增多，性能会下降。
  3. 负载因子越小，就越容易触发扩容，数据密度也越小，意味着发生碰撞的 几率越小，数组中的链表也就越短，查询和插入时比较的次数也越小，性能会更高。但是会浪费一定的内容空间。而且经常扩容也会影响性能，建议初始化预设大一点的空间。
  4. 按照其他语言的参考及研究经验，会考虑将负载因子设置为0.7~0.75，此时平均检索长度接近于常数。

Map实现类之二：LinkedHashMap

  • LinkedHashMap底层使用的结构与HashMap相同，因为LinkedHashMap继承于HashMap.
  • 在HashMap存储结构的基础上，使用了一对双向链表来记录添加元素的顺序
  • 与LinkedHashSet类似，LinkedHashMap 可以维护 Map 的迭代顺序：迭代顺序与 Key-Value 对的插入顺序一致 46778902
  • LinkedHashMap与HashMap区别就在于：LinkedHashMap内部提供了Entry，替换HashMap中的Node.

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Map实现类之三：TreeMap

  • TreeMap存储 Key-Value 对时，需要根据 key-value 对进行排序。 TreeMap 可以保证所有的 Key-Value 对处于有序状态。
  • TreeSet底层使用红黑树结构存储数据
  • TreeMap 的 Key 的排序：

自然排序：TreeMap 的所有的 Key 必须实现 Comparable 接口，而且所有的 Key 应该是同一个类的对象，否则将会抛出 ClasssCastException
定制排序：创建 TreeMap 时，传入一个 Comparator 对象，该对象负责对 TreeMap 中的所有 key 进行排序。此时不需要 Map 的 Key 实现 Comparable接口

  • TreeMap判断两个key相等的标准：两个key通过compareTo()方法或者compare()方法返回0。

Map实现类之四：Hashtable

  • Hashtable是个古老的 Map 实现类，JDK1.0就提供了。不同于HashMap， Hashtable是线程安全的。
  • Hashtable实现原理和HashMap相同，功能相同。底层都使用哈希表结构，查询速度快，很多情况下可以互用。
  • 与HashMap不同，Hashtable 不允许使用 null 作为 key 和 value
  • 与HashMap一样，Hashtable 也不能保证其中 Key-Value 对的顺序
  • Hashtable判断两个key相等、两个value相等的标准，与HashMap一致。

Map实现类之五：Properties

  • Properties 类是 Hashtable 的子类，该对象用于处理属性文件
  • 由于属性文件里的 key、value 都是字符串类型，所以 Properties 里的 key 和 value 都是字符串类型

  • 存取数据时，建议使用setProperty(String key,String value)方法和 getProperty(String key)方法

    1. //Properties:常用来处理配置文件。key和value都是String类型
    2. public static void main(String[] args)  {
    3.   FileInputStream fis = null;
    4.   try {
    5.       Properties pros = new Properties();
    7.       fis = new FileInputStream("jdbc.properties");
    8.       pros.load(fis);//加载流对应的文件
    10.       String name = pros.getProperty("name");//根矩key（name）读取value
    11.       String password = pros.getProperty("password");
    13.       System.out.println("name = " + name + ", password = " + password);
    14.   } catch (IOException e) {
    15.       e.printStackTrace();
    16.   } finally {
    17.       if(fis != null){
    18.           try {
    19.               fis.close();
    20.           } catch (IOException e) {
    21.               e.printStackTrace();
    22.           }
    24.       }
    25.   }