Java中详细解析Map接口
作者：IT刘华强
Map详解：
先看图，便于宏观了解Map的地位。
Map接口中键和值一一映射. 可以通过键来获取值。
- 给定一个键和一个值，你可以将该值存储在一个Map对象. 之后，你可以通过键来访问对应的值。
- 当访问的值不存在的时候，方法就会抛出一个NoSuchElementException异常.
- 当对象的类型和Map里元素类型不兼容的时候，就会抛出一个 ClassCastException异常。
- 当在不允许使用Null对象的Map中使用Null对象，会抛出一个NullPointerException 异常。
- 当尝试修改一个只读的Map时，会抛出一个UnsupportedOperationException异常。
Map基本操作：
Map 初始化
Map<String, String> map = new HashMap<String, String>();
插入元素
map.put("key1", "value1");
获取元素
map.get("key1")
移除元素
map.remove("key1");
清空map
map.clear();
hashMap原理：
hashMap是由数组和链表这两个结构来存储数据。
数组：存储区间是连续的，占用内存严重，故空间复杂的很大。但数组的二分查找时间复杂度小，为O(1)；寻址容易，插入和删除困难；
链表：存储区间离散，占用内存比较宽松，故空间复杂度很小，但时间复杂度很大，达O(N)；寻址困难，插入和删除容易。
hashMap则结合了两者的优点，既满足了寻址，又满足了操作，为什么呢？关键在于它的存储结构。
它底层是一个数组，数组元素就是一个链表形式，见下图：
Entry: 存储键值对。
Map类在设计时提供了一个静态修饰接口Entry。Entry将键值对的对应关系封装成了键值对对象，这样我们在遍历Map集合时，就可以从每一个键值对对象中获取相应的键与值。之所以被修饰成静态是为了可以用类名直接调用。
每次初始化HashMap都会构造一个table数组，而table数组的元素为Entry节点，它里面包含了键key，值value，下一个节点next，以及hash值。
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final K key;
V value;
Entry<K,V> next;
int hash;
}
查看hashMap的API发现，它有4个构造函数：
1、构造一个具有默认初始容量 (16) 和默认加载因子 (0.75) 的空 HashMap。
2、指定初始容量和默认加载因子 (0.75) 的空 HashMap。
3、指定初始容量和默认加载因子的空HashMap。
4、构造一个映射关系与指定Map相同的新HashMap。
注意：HashMap使用的是懒加载，构造完HashMap对象后，只要不进行put方法插入元素之前，HashMap并不会去初始化或者扩容table。
Put方法：
首先判断是否是空数组（table == EMPTY_TABLE），如果是，开始初始化HashMap的table数据结构，然后执行扩容函数，如果未指定容量，默认是大小为16的表，然后根据加载因子计算临界值。什么是加载因子呢？hashMap的大小是一定的，如果不够存储了肯定要扩容，那么扩容的依据是什么呢，什么时候确定要扩容了呢？这个时候就需要引入加载因子这个概念，我们假使依旧使用默认大小16，加载因子0.75，那么当hashMap的size大于12（16*0.75=12）的时候，那么就会进行扩容。
回来说put方法，如果key是null，调用putForNullKey方法，保存null与key，这是HashMap允许为null的原因。然后计算hash值和用indexFor计算数据存在的位置，然后从i出开始迭代e,找到 key 保存的位置。
上面说到如果数组扩容，那么每次要怎么扩容呢？
当size大于等于某一个阈值thresholdde时候且该table并不是一个空table，因为size 已经大于等于阈值了，说明Entry数量较多，哈希冲突严重，那么若该Entry对应的桶不是一个空桶，这个Entry的加入必然会把原来的链表拉得更长，因此需要扩容；若对应的桶是一个空桶，那么此时没有必要扩容。如果扩容，table会扩容为原来的两倍，直到达到数组的最大长度1<<30（2的30次方）,如果size大于这个值，那么就直接修改为Integer.MAX_VALUE。扩容后的元素hash值对应的新的桶位置，然后在指定的桶位置上，创建一个新的Entry。
这里需要说明的是，hashmap是可以存放key和value均为null的，存放在table[0]的位置，此时使用put方法在添加元素的时候，如果在table[0]中已经存入key为null的元素则给null赋上新的value值并返回后面的值，否则则初始化null的元素，存入put里面存放的值。
public static void main(String[] args) {
HashMap hashMap = new HashMap();
hashMap.put(null, null);
System.out.println(hashMap.get(null));
Integer a = (Integer) hashMap.put(null, 1);
System.out.println(a);
System.out.println(hashMap.get(null));
}
输出为：
null
null
1
Get方法：
Get比较好理解，判断key是不是null，如果是，返回getForNullKey的函数返回值，如果不是，则在table中去找。
Remove方法：
判断，如果hashMap的size是0，返回null；找到需要移除的元素的前一个节点，然后把前驱节点的next指向删除节点的next节点，此时当前节点没有任何引用指向，它在程序结束之后就会被gc回收。
final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {
if (size == 0) {
return null;
}
int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
int i = indexFor(hash, table.length);
Entry<K,V> prev = table[i];
Entry<K,V> e = prev;
while (e != null) {
Entry<K,V> next = e.next;
Object k;
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
modCount++;
size--;
if (prev == e)
table[i] = next;
else
prev.next = next;
e.recordRemoval(this);
return e;
}
prev = e;
e = next;
}
return e;
}
Map的遍历：
map这里可以用增强for和迭代器两种方式遍历：
import java.util.HashMap;
import java.util.Iterator;
import java.util.Map;
public class MapDemo {
public static void main(String[] args) {
HashMap<String, String> sets = new HashMap<>();
sets.put("username", "value1");
sets.put("password", "value2");
sets.put("key3", "value3");
sets.put("key4", "value4");
sets.put(null,null);
// 增强for循环 =========== keySet ===================
for (String s : sets.keySet()) {
System.out.println(s + ".." + sets.get(s));
}
//================== entrySet ======================
for (Map.Entry<String, String> m : sets.entrySet()) {
System.out.println(m.getKey() + ".." + m.getValue());
}
// 迭代器 ================ keySet ===================
Iterator it = sets.keySet().iterator();
while (it.hasNext()) {
String key = (String) it.next();
System.out.println(key + ".." + sets.get(key));
}
//================== entrySet ======================
Iterator<Map.Entry<String, String>> iterator = sets.entrySet().iterator();
while (iterator.hasNext()) {
Map.Entry<String, String> m = iterator.next();
System.out.println(m.getKey() + ".." + m.getValue());
}
}
}
TreeMap
这里简要介绍下：TreeMap 是一个有序的key-value集合，继承于AbstractMap，它是通过红黑树实现的。TreeMap 实现了NavigableMap接口，实现了Cloneable接口，实现了java.io.Serializable接口。
TreeMap基于红黑树（Red-Black tree）实现。该映射根据其键的自然顺序进行排序，或者根据创建映射时提供的 Comparator 进行排序，具体取决于使用的构造方法。TreeMap的基本操作 containsKey、get、put 和 remove 的时间复杂度是 log(n) 。另外，TreeMap是非同步的。 它的iterator 方法返回的迭代器是fail-fastl的。
红黑树（Red Black Tree） 是一种自平衡二叉查找树，是在计算机科学中用到的一种数据结构，典型的用途是实现关联数组。它有五个特点如下：
性质1：节点是红色或黑色。
性质2：根节点是黑色。
性质3：每个叶节点（NIL节点，空节点）是黑色的。
性质4：每个红色节点的两个子节点都是黑色。(从每个叶子到根的所有路径上不能有两个连续的红色节点)。
性质5：从任一节点到其每个叶子的所有路径都包含相同数目的黑色节点。
详细了解请点击。
LinkedHashMap：
HashMap是无序的，只要不涉及线程安全问题，Map基本都可以使用HashMap。如果我们期待一个有序的Map，这个时候，LinkedHashMap就派上用场了，它虽然增加了时间和空间上的开销，但是通过维护一个运行于所有条目的双向链表，LinkedHashMap保证了元素迭代的顺序，该迭代顺序可以是插入顺序或者是访问顺序。那么是如何维护的呢，首先参考HashMap的存储结构，将其中的Entry元素增加一个pre指针和一个next指针，这样，根据插入元素的顺序将各个元素依次连接起来，这样LinkedHashMap就保证了元素的顺序。
继承自HashMap，实现了Map接口，LinkedHashMap重写了父类HashMap的get方法，实际在调用父类getEntry()方法取得查找的元素后，再判断当排序模式accessOrder为true时（即按访问顺序排序），先将当前节点从链表中移除，然后再将当前节点插入到链表尾部。
实现LRU缓存：
LinkedHashMap和HashMap+LinkedList的操作都是类似的，LRU缓存是我最近看到一个很巧妙的东西，所以推荐大家看一下这篇文章。
对比下Hashmap、Hashtable和ConcurrentHashmap：
第一、Hashmap是线程不安全的，Hashtable和ConcurrentHashMap是线程安全的，在Hashtable中使用了关键字synchronized修饰，加上了同步锁;ConcurrentHashMap在JDK1.7中采用了锁分离的技术，每一个Segment都独立上锁，保证了并发的安全性；每一个Segment元素存储的是HashEntry数组+ 链表，Segment的大小是一开始就确定的，后期不能再进行扩容，但是单个Segment里面的数组是可以扩容的。
但是在JDK1.8上则摒弃了Segment的概念，而是直接用Node数组+链表+红黑树的数据结构来实现，如下图所示，并发控制使用Synchronized和CAS来操作，每一个Node节点都是用volatile修饰的，整个看起来就像是优化过且线程安全的HashMap。
第二、Hashmap是可以存放key和value均为null的，存放在table[0]的位置，此时使用put方法在添加元素的时候，如果在table[0]中已经存入key为null的元素则给null赋上新的value值并返回后面的值，否则则初始化null的元素，存入put里面存放的值。Hashtable和ConcurrentHashMap是不可以存放null的key或者value的，原因和并发状态下的操作有关，当在并发状态下执行无法分辨是key没找到的null还是有key值为null，这在多线程里面是模糊不清的，所以不允许put、get为null的元素，如果强行操作就会报空指针异常。
总结
本篇文章就到这里了，希望能给你带来帮助，也希望您能够多多关注脚本之家的更多内容！