Map不同具体实现类的比较和应用场景的分析

1、Map的概括总结

(01) Map 是“键值对”映射的抽象接口。
(02) AbstractMap 实现了Map中的绝大部分函数接口。它减少了“Map的实现类”的重复编码。
(03) SortedMap 有序的“键值对”映射接口。
(04) NavigableMap 是继承于SortedMap的，支持导航函数的接口。具有了为给定搜索目标报告最接近匹配项的导航方法。
(05) HashMap, Hashtable, TreeMap, WeakHashMap这4个类是“键值对”映射的实现类。它们各有区别！

　　HashMap 是基于“拉链法”实现的散列表。一般用于单线程程序中。
　　Hashtable 也是基于“拉链法”实现的散列表。它一般用于多线程程序中。
　　WeakHashMap 也是基于“拉链法”实现的散列表，它一般也用于单线程程序中。相比HashMap，WeakHashMap中的键是“弱键”，当“弱键”被GC回收时，它对应的键值对也会被从WeakHashMap中删除；而HashMap中的键是强键。
　　TreeMap 是有序的散列表，它是通过红黑树实现的。它一般用于单线程中存储有序的映射。

2、HashMap和Hashtable异同

2.1、HashMap和Hashtable的相同点

HashMap和Hashtable都是存储“键值对(key-value)”的散列表，而且都是采用拉链法实现的。
存储的思想都是：通过table数组存储，数组的每一个元素都是一个Entry；而一个Entry就是一个单链表，Entry链表中的每一个节点就保存了key-value键值对数据。

添加key-value键值对：首先，根据key值计算出哈希值，再计算出数组索引(即，该key-value在table中的索引)。然后，根据数组索引找到Entry(即，单链表)，再遍历单链表，将key和链表中的每一个节点的key进行对比。若key已经存在Entry链表中，则用该value值取代旧的value值；若key不存在Entry链表中，则新建一个key-value节点，并将该节点插入Entry链表的表头位置。
删除key-value键值对：删除键值对，相比于“添加键值对”来说，简单很多。首先，还是根据key计算出哈希值，再计算出数组索引(即，该key-value在table中的索引)。然后，根据索引找出Entry(即，单链表)。若节点key-value存在与链表Entry中，则删除链表中的节点即可。

2.2、HashMap和Hashtable的不同点

2.2.1、继承和实现方式不一样

　　HashMap 继承于AbstractMap，实现了Map、Cloneable、java.io.Serializable接口
　　Hashtable 继承于Dictionary，实现了Map、Cloneable、java.io.Serializable接口

　　Dictionary是一个抽象类，它直接继承于Object类，没有实现任何接口。Dictionary类是JDK 1.0的引入的。虽然Dictionary也支持“添加key-value键值对”、“获取value”、“获取大小”等基本操作，但它的API函数比Map少；而且Dictionary一般是通过Enumeration(枚举类)去遍历，Map则是通过Iterator(迭代器)去遍历。 然而‘由于Hashtable也实现了Map接口，所以，它即支持Enumeration遍历，也支持Iterator遍历

2.2.2、线程安全不同

　　Hashtable的几乎所有函数都是同步的，即它是线程安全的，支持多线程。
　　HashMap的函数则是非同步的，它不是线程安全的。若要在多线程中使用HashMap，需要我们额外的进行同步处理。 对HashMap的同步处理可以使用Collections类提供的synchronizedMap静态方法，或者直接使用JDK 5.0之后提供的java.util.concurrent包里的ConcurrentHashMap类。

2.2.3、支持的遍历种类不同

　　HashMap只支持Iterator(迭代器)遍历。
　　Hashtable支持Iterator(迭代器)和Enumeration(枚举器)两种方式遍历

　　Enumeration 是JDK 1.0添加的接口，只有hasMoreElements(), nextElement() 两个API接口，不能通过Enumeration()对元素进行修改 而Iterator 是JDK 1.2才添加的接口，支持hasNext(), next(), remove() 三个API接口。HashMap也是JDK 1.2版本才添加的，所以用Iterator取代Enumeration，HashMap只支持Iterator遍历。

2.2.4、对null值的支持不同

　　HashMap的key、value都可以为null
　　Hashtable的key、value都不可以为null

　　Hashtable的key或value，都不能为null！否则，会抛出异常NullPointerException
　　HashMap的key、value都可以为null。 当HashMap的key为null时，HashMap会将其固定的插入table[0]位置(即HashMap散列表的第一个位置)；而且table[0]处只会容纳一个key为null的值，当有多个key为null的值插入的时候，table[0]会保留最后插入的value

2.2.5、通过Iterator迭代器遍历时，遍历的顺序不同

　　HashMap是“从前向后”的遍历数组；再对数组具体某一项对应的链表，从表头开始进行遍历
　　Hashtabl是“从后往前”的遍历数组；再对数组具体某一项对应的链表，从表头开始进行遍历

　　HashMap和Hashtable都实现Map接口，所以支持获取它们“key的集合”、“value的集合”、“key-value的集合”，然后通过Iterator对这些集合进行遍历。由于“key的集合”、“value的集合”、“key-value的集合”的遍历原理都是一样的；下面，我以遍历“key-value的集合”来进行说明。HashMap 和Hashtable 遍历"key-value集合"的方式是：(01) 通过entrySet()获取“Map.Entry集合”。

// 返回“HashMap的Entry集合”
public Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() {
    return entrySet0();
}
// 返回“HashMap的Entry集合”，它实际是返回一个EntrySet对象
private Set<Map.Entry<K,V>> entrySet0() {
    Set<Map.Entry<K,V>> es = entrySet;
    return es != null ? es : (entrySet = new EntrySet());
}
// EntrySet对应的集合
// EntrySet继承于AbstractSet，说明该集合中没有重复的EntrySet。
private final class EntrySet extends AbstractSet<Map.Entry<K,V>> {
    ...
    public Iterator<Map.Entry<K,V>> iterator() {
        return newEntryIterator();
    }
    ...
}
// 返回一个“entry迭代器”
Iterator<Map.Entry<K,V>> newEntryIterator()   {
    return new EntryIterator();
}
// Entry的迭代器
private final class EntryIterator extends HashIterator<Map.Entry<K,V>> {
    public Map.Entry<K,V> next() {
        return nextEntry();
    }
}
private abstract class HashIterator<E> implements Iterator<E> {
    // 下一个元素
    Entry<K,V> next;
    // expectedModCount用于实现fail-fast机制。
    int expectedModCount;
    // 当前索引
    int index;
    // 当前元素
    Entry<K,V> current;

    HashIterator() {
        expectedModCount = modCount;
        if (size > 0) { // advance to first entry
            Entry[] t = table;
            // 将next指向table中第一个不为null的元素。
            // 这里利用了index的初始值为0，从0开始依次向后遍历，直到找到不为null的元素就退出循环。
            while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
                ;
        }
    }

    public final boolean hasNext() {
        return next != null;
    }

    // 获取下一个元素
    final Entry<K,V> nextEntry() {
        if (modCount != expectedModCount)
            throw new ConcurrentModificationException();
        Entry<K,V> e = next;
        if (e == null)
            throw new NoSuchElementException();

        // 注意！！！
        // 一个Entry就是一个单向链表
        // 若该Entry的下一个节点不为空，就将next指向下一个节点;
        // 否则，将next指向下一个链表(也是下一个Entry)的不为null的节点。
        if ((next = e.next) == null) {
            Entry[] t = table;
            while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
                ;
        }
        current = e;
        return e;
    }

    ...
}

(02) 通过iterator()获取“Map.Entry集合”的迭代器，再进行遍历。

public Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() {
    if (entrySet==null)
        entrySet = Collections.synchronizedSet(new EntrySet(), this);
    return entrySet;
}

private class EntrySet extends AbstractSet<Map.Entry<K,V>> {
    public Iterator<Map.Entry<K,V>> iterator() {
        return getIterator(ENTRIES);
    }
    ...
}

private class Enumerator<T> implements Enumeration<T>, Iterator<T> {
    // 指向Hashtable的table
    Entry[] table = Hashtable.this.table;
    // Hashtable的总的大小
    int index = table.length;
    Entry<K,V> entry = null;
    Entry<K,V> lastReturned = null;
    int type;

    // Enumerator是 “迭代器(Iterator)” 还是 “枚举类(Enumeration)”的标志
    // iterator为true，表示它是迭代器；否则，是枚举类。
    boolean iterator;

    // 在将Enumerator当作迭代器使用时会用到，用来实现fail-fast机制。
    protected int expectedModCount = modCount;

    Enumerator(int type, boolean iterator) {
        this.type = type;
        this.iterator = iterator;
    }

    // 从遍历table的数组的末尾向前查找，直到找到不为null的Entry。
    public boolean hasMoreElements() {
        Entry<K,V> e = entry;
        int i = index;
        Entry[] t = table;
        /* Use locals for faster loop iteration */
        while (e == null && i > 0) {
            e = t[--i];
        }
        entry = e;
        index = i;
        return e != null;
    }

    // 获取下一个元素
    // 注意：从hasMoreElements() 和nextElement() 可以看出“Hashtable的elements()遍历方式”
    // 首先，从后向前的遍历table数组。table数组的每个节点都是一个单向链表(Entry)。
    // 然后，依次向后遍历单向链表Entry。
    public T nextElement() {
        Entry<K,V> et = entry;
        int i = index;
        Entry[] t = table;
        /* Use locals for faster loop iteration */
        while (et == null && i > 0) {
            et = t[--i];
        }
        entry = et;
        index = i;
        if (et != null) {
            Entry<K,V> e = lastReturned = entry;
            entry = e.next;
            return type == KEYS ? (T)e.key : (type == VALUES ? (T)e.value : (T)e);
        }
        throw new NoSuchElementException("Hashtable Enumerator");
    }

    // 迭代器Iterator的判断是否存在下一个元素
    // 实际上，它是调用的hasMoreElements()
    public boolean hasNext() {
        return hasMoreElements();
    }

    // 迭代器获取下一个元素
    // 实际上，它是调用的nextElement()
    public T next() {
        if (modCount != expectedModCount)
            throw new ConcurrentModificationException();
        return nextElement();
    }

    ...

}

2.2.6、容量的初始值 和 增加方式都不一样

　　HashMap默认的容量大小是16；增加容量时，每次将容量变为“原始容量x2”。
　　Hashtable默认的容量大小是11；增加容量时，每次将容量变为“原始容量x2 + 1”。

2.2.7、添加key-value时的hash值算法不同

　　HashMap添加元素时，是使用自定义的hash算法。
　　Hashtable没有自定义哈希算法，而直接采用的key的hashCode()。

2.3、HashMap和Hashtable的使用场景

其实，若我们了解了它们之间的不同之处后，可以很容易的区分不同情况下如何选择哪一种集合。

例如：

　　(01)若在单线程中，我们往往会选择HashMap，而在多线程中则会选择Hashtable。

　　(02)若不能插入null元素，则选择Hashtable；否则，可以选择HashMap。
但这个不是绝对的标准。例如，在多线程中，我们可以自己对HashMap进行同步，也可以选择ConcurrentHashMap。当HashMap和Hashtable都不能满足自己的需求时，还可以考虑新定义一个类，继承或重新实现散列表；当然，一般情况下是不需要的了。

3、HashMap和WeakHashMap异同

3.1、HashMap和WeakHashMap的相同点

• 它们都是散列表，存储的是“键值对”映射。
• 它们都继承于AbstractMap，并且实现Map基础。
• 它们的构造函数都一样。
• 它们都包括4个构造函数，而且函数的参数都一样。
• 默认的容量大小是16，默认的加载因子是0.75。
• 它们的“键”和“值”都允许为null。
• 它们都是“非同步的”。

3.2、HashMap和WeakHashMap的不同点

3.2.1、HashMap实现了Cloneable和Serializable接口，而WeakHashMap没有。

　　HashMap实现Cloneable，意味着它能通过clone()克隆自己。

　　HashMap实现Serializable，意味着它支持序列化，能通过序列化去传输。

3.2.2、HashMap的“键”是“强引用(StrongReference)”，而WeakHashMap的键是“弱引用(WeakReference)”

 WeakReference的“弱键”能实现WeakReference对“键值对”的动态回收。当“弱键”不再被使用到时，GC会回收它，WeakReference也会将“弱键”对应的键值对删除。
   这个“弱键”实现的动态回收“键值对”的原理呢？其实，通过WeakReference(弱引用)和ReferenceQueue(引用队列)实现的。 首先，我们需要了解WeakHashMap中：
    第一，“键”是WeakReference，即key是弱键。
    第二，ReferenceQueue是一个引用队列，它是和WeakHashMap联合使用的。当弱引用所引用的对象被垃圾回收，Java虚拟机就会把这个弱引用加入到与之关联的引用队列中。 WeakHashMap中的ReferenceQueue是queue。
   第三，WeakHashMap是通过数组实现的，我们假设这个数组是table。

3.3、HashMap和WeakHashMap的比较测试程序

package com.collection.baozi;
import java.util.HashMap;
import java.util.Iterator;
import java.util.Map;
import java.util.WeakHashMap;
import java.util.Date;
import java.lang.ref.WeakReference;

/**
 * HashMap 和 WeakHashMap比较程序
 * 
 */
public class CompareHashmapAndWeakhashmap {

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        // 当“弱键”是String时，比较HashMap和WeakHashMap
        compareWithString();
        // 当“弱键”是自定义类型时，比较HashMap和WeakHashMap
        compareWithSelfClass();
    }

    /**
     * 遍历map，并打印map的大小
     */
    private static void iteratorAndCountMap(Map map) {
        // 遍历map
        for (Iterator<?> iter = map.entrySet().iterator();
                iter.hasNext();  ) {
            @SuppressWarnings("rawtypes")
            Map.Entry en = (Map.Entry)iter.next();
            System.out.printf("map entry : %s - %s\n ",en.getKey(), en.getValue());
        }

        // 打印HashMap的实际大小
        System.out.printf(" map size:%s\n\n", map.size());
    }

    /**
     * 通过String对象测试HashMap和WeakHashMap
     */
    private static void compareWithString() {
        // 新建4个String字符串
        String w1 = new String("W1");
        String w2 = new String("W2");
        String h1 = new String("H1");
        String h2 = new String("H2");

        // 新建 WeakHashMap对象，并将w1,w2添加到 WeakHashMap中
        Map<Object, String> wmap = new WeakHashMap<Object, String>();
        wmap.put(w1, "w1");
        wmap.put(w2, "w2");

        // 新建 HashMap对象，并将h1,h2添加到 WeakHashMap中
        Map<Object, String> hmap = new HashMap<Object, String>();
        hmap.put(h1, "h1");
        hmap.put(h2, "h2");

        // 删除HashMap中的“h1”。
        // 结果：删除“h1”之后，HashMap中只剩下 h2 ！
        hmap.remove(h1);

        // 将WeakHashMap中的w1设置null，并执行gc()。系统会回收w1
        // 结果：w1是“弱键”，被GC回收后，WeakHashMap中w1对应的键值对，也会被从WeakHashMap中删除。
        //       w2是“弱键”，但它不是null，不会被GC回收；也就不会被从WeakHashMap中删除。
        // 因此，WeakHashMap中只有 w2
        // 注意：若去掉“w1=null” 或者“System.gc()”，结果都会不一样！
        w1 = null;
        System.gc();

        // 遍历并打印HashMap的大小
        System.out.printf(" -- HashMap --\n");
        iteratorAndCountMap(hmap);

        // 遍历并打印WeakHashMap的大小
        System.out.printf(" -- WeakHashMap --\n");
        iteratorAndCountMap(wmap);
    }

    /**
     * 通过自定义类测试HashMap和WeakHashMap
     */
    private static void compareWithSelfClass() {
        // 新建4个自定义对象
        Self s1 = new Self(10);
        Self s2 = new Self(20);
        Self s3 = new Self(30);
        Self s4 = new Self(40);
        
        // 新建 WeakHashMap对象，并将s1,s2添加到 WeakHashMap中
        Map<Object, String> wmap = new WeakHashMap<Object, String>();
        wmap.put(s1, "s1");
        wmap.put(s2, "s2");
        
        // 新建 HashMap对象，并将s3,s4添加到 WeakHashMap中
        Map<Object, String> hmap = new HashMap<Object, String>();
        hmap.put(s3, "s3");
        hmap.put(s4, "s4");

        // 删除HashMap中的s3。
        // 结果：删除s3之后，HashMap中只有 s4 ！
        hmap.remove(s3);

        // 将WeakHashMap中的s1设置null，并执行gc()。系统会回收w1
        // 结果：s1是“弱键”，被GC回收后，WeakHashMap中s1对应的键值对，也会被从WeakHashMap中删除。
        //       w2是“弱键”，但它不是null，不会被GC回收；也就不会被从WeakHashMap中删除。
        // 因此，WeakHashMap中只有 s2
        // 注意：若去掉“s1=null” 或者“System.gc()”，结果都会不一样！
        s1 = null;
        System.gc();

        /*
        // 休眠500ms
        try {
            Thread.sleep(500);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        // */
        
        // 遍历并打印HashMap的大小
        System.out.printf(" -- Self-def HashMap --\n");
        iteratorAndCountMap(hmap);

        // 遍历并打印WeakHashMap的大小
        System.out.printf(" -- Self-def WeakHashMap --\n");
        iteratorAndCountMap(wmap);
    }

    private static class Self { 
        int id;

        public Self(int id) {
            this.id = id;
        }

        // 覆盖finalize()方法
        // 在GC回收时会被执行
        protected void finalize() throws Throwable {
            super.finalize();
            System.out.printf("GC Self: id=%d addr=0x%s)\n", id, this);
        }   
    }
}

 

-- HashMap --
map entry : H2 - h2
  map size:1

 -- WeakHashMap --
map entry : W2 - w2
  map size:1

 -- Self-def HashMap --
map entry : CompareHashmapAndWeakhashmap$Self@1ff9dc36 - s4
  map size:1

 -- Self-def WeakHashMap --
GC Self: id=10 addr=0xCompareHashmapAndWeakhashmap$Self@12276af2)
map entry : CompareHashmapAndWeakhashmap$Self@59de3f2d - s2
  map size:1

 3、TreeMap的应用场景

3.1、TreeMap的简单介绍

• TreeMap的实现原理：基于红黑树实现的排序Map
• TreeMap的常用功能的时间复杂度：TreeMap的增删改查和统计相关的操作的时间复杂度都为 O(logn)
• TreeMap对Key和Value的特殊要求：由于实现了Map接口，则key的值不允许重复（重复则覆盖），也不允许为null，按照key的自然顺序排序或者Comparator接口指定的排序方法进行排序；value允许重复，也允许为null，当key重复时，会覆盖此value值。

3.2、TreeMap、HashMap、LinkedHashMap的使用场景

• 需要基于排序的统计功能：由于TreeMap是基于红黑树的实现的排序Map，对于增删改查以及统计的时间复杂度都控制在O(logn)的级别上，相对于HashMap和LikedHashMap的统计操作的(最大的key，最小的key，大于某一个key的所有Entry等等)时间复杂度O(n)具有较高时间效率。
• 需要快速增删改查的存储功能：相对于HashMap和LikedHashMap 这些 hash表的时间复杂度O(1)（不考虑冲突情况），TreeMap的增删改查的时间复杂度为O(logn)就显得效率较低。
• 需要快速增删改查而且需要保证遍历和插入顺序一致的存储功能：相对于HashMap和LikedHashMap 这些 hash表的时间复杂度O(1)（不考虑冲突情况），TreeMap的增删改查的时间复杂度为O(logn)就显得效率较低。但是HashMap并不保证任何顺序性。LikedHashMap额外保证了Map的遍历顺序与put顺序一致的有序性。

注意：它们都是非线程安全的

3.3、TreeMap的特别说明

• TreeMap默认是根据Key来比较来排序的
• TreeMap的构造方法允许使用指定的比较器来比较
• 可以实现通过比较Value来排序，通过指定比较器来实现，注意比较器的compare方法接收的两个参数都是Key，必须通过Key来获取对应的Value来进行比较才能实现按照Value来排序の 目的，否则还是按照key来排序的。
• TreeMap底层是红黑树来实现的，红黑树不允许重复的比较关键字， 所以如果比较器（如果没有指定比较器，则默认使用Key的自然顺序或者Key实现的比较接口方法来比较）的比较结果为0，即比较关键字相等，则将会发生覆盖value，但是key不变的情况。