Java容器：Map
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：
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。
