集合之Map

Java集合分为Collection和Map，学习Map前需先了解Collection
集合概述&集合之Collection接口 - 至安 - 博客园 (cnblogs.com)

概述

Map元素是按照键值对形式存储的。每一对元素由两部分组成，分别叫键和值，键是唯一的，值是可以重复的。

Map与Collection并列存在。用于存储具有映射关系的数据 : key-value

• Map 中的 key 和 value 都可以是任何引用类型的数据
• Map 中的 key 用Set来存放，不允许重复，key所在的类须重写hashCode()和equals()方法
• 常用String类作为Map的key
• key 和 value 之间存在单向一对一关系，即通过指定的 key 总能找到唯一的、确定的 value
• Map接口的常用实现类：HashMap、TreeMap、LinkedHashMap和Properties。其中，HashMap是 Map 接口使用频率最高的实现类

Map接口有三个比较重要的实现类，分别是HashMap、TreeMap和HashTable。

• TreeMap是有序的，HashMap和HashTable是无序的。
• Hashtable的方法是同步的，HashMap的方法不是同步的。这是两者最主要的区别。

这就意味着：

• Hashtable是线程安全的，HashMap不是线程安全的。HashMap效率较高，Hashtable效率较低。
• 如果对同步性或与遗留代码的兼容性没有任何要求，建议使用HashMap。 查看Hashtable的源代码就可以发现，除构造函数外，Hashtable的所有 public 方法声明中都有 synchronized关键字，而HashMap的源码中则没有。
• Hashtable不允许null值，HashMap允许null值（key和value都允许）
• 父类不同：Hashtable的父类是Dictionary，HashMap的父类是AbstractMap

常用实现类

• HashMap : 作为Map的主要实现类；线程不安全的，效率高，可以有一个key为null

  • LinkedHashMap：HashMap的子类，保证在遍历map元素时，可以照添加的顺序实现遍历。

    在HashMap底层结构基础上，添加了一对指针，指向 前一个和后一个元素。对于频繁的遍历操作，此类执行效率高于HashMap

• TreeMap：对添加的key-value对进行排序，实现排序遍历。此时考虑key的自然排序或定制排序。底层使用红黑树

• Hashtable:作为古老的实现类；线程安全的，效率低；key和value都不能为null

LinkedHashMap

HashMap和双向链表合二为一即是LinkedHashMap。所谓LinkedHashMap，其落脚点在HashMap，因此更准确地说，它是一个将所有Entry节点链入一个双向链表的HashMap。由于LinkedHashMap是HashMap的子类，所以LinkedHashMap自然会拥有HashMap的所有特性。比如，LinkedHashMap的元素存取过程基本与HashMap基本类似，只是在细节实现上稍有不同。当然，这是由LinkedHashMap本身的特性所决定的，因为它额外维护了一个双向链表用于保持迭代顺序。

不过遗憾的是，HashMap是无序的，也就是说，迭代HashMap所得到的元素顺序并不是它们最初放置到HashMap的顺序。HashMap的这一缺点往往会造成诸多不便，因为在有些场景中，我们确需要用到一个可以保持插入顺序的Map。庆幸的是，JDK为我们解决了这个问题，它为HashMap提供了一个子类 —— LinkedHashMap。虽然LinkedHashMap增加了时间和空间上的开销，但是它通过维护一个额外的双向链表保证了迭代顺序。特别地，该迭代顺序可以是插入顺序，也可以是访问顺序。因此，根据链表中元素的顺序可以将LinkedHashMap分为：保持插入顺序的LinkedHashMap 和 保持访问顺序的LinkedHashMap，其中LinkedHashMap的默认实现是按插入顺序排序的。

更直观地，下图很好地还原了LinkedHashMap的原貌：HashMap和双向链表的密切配合和分工合作造就了LinkedHashMap。特别需要注意的是，next用于维护HashMap各个桶中的Entry链，before、after用于维护LinkedHashMap的双向链表，虽然它们的作用对象都是Entry，但是各自分离，是两码事儿。

其中，HashMap与LinkedHashMap的Entry结构示意图如下图所示：

存储结构的理解

• Map中的key: 无序的、不可重复的
  使用Set存储key ---> key所在的类要重写equals()和hashCode() （以HashMap为例)
• Map中的value: 无序的、可重复的
  使用Collection存储value --->value所在的类要重写equals()
• 键值对：key-value构成了一个Entry对象。
• Map中的entry: 无序的、不可重复的，使用Set存储所有的entry

常用方法

添加 、 删除、修改操作

Object put(Object key,Object value)：将指定key-value添加到(或修改)当前map对象中
void putAll(Map m):将m中的所有key-value对存放到当前map中
Object remove(Object key)：移除指定key的key-value对，并返回value
void clear()：清空当前map中的所有数据

查询的操作

Object get(Object key)：获取指定key对应的value
boolean containsKey(Object key)：是否包含指定的key
boolean containsValue(Object value)：是否包含指定的value
int size()：返回map中key-value对的个数
boolean isEmpty()：判断当前map是否为空
boolean equals(Object obj)：判断当前map和参数对象obj是否相等

map集合的遍历

通过获取所有的key

//map.keySet() 得到所有key的集合
Set keys = map.keySet();
for (Object key : keys) {
	System.out.println(key + "->" + map.get(key));
}

获取所有的value

HashMap<String, String> map = new HashMap<>();
map.put("wanzi","莉香");
map.put("三上","里美");
//map.values(): 集合
for (String value : map.values()) {
    System.out.println(value);
}

通过Map.entrySet遍历key和value，推荐，尤其是容量大时

//map.entrySet()): Set<Map.Entry<K,V>>
for(Map.Entry<String,String> entry : map.entrySet()){
    entry.getKey(); //当前key
    entry.getValue(); //当前value
    System.out.println("key：" + entry.getKey() + "value：" + entry.getValue());
}

底层实现原理（重要）

HashMap在jdk7中实现原理

HashMap map = new HashMap():
在实例化以后，底层创建了长度是16的一维数组Entry[] table

• 首先，调用key1所在类的hashCode()计算key1哈希值，此哈希值经过某种算法计算得到在Entry数组中的索引位置。如果此位置上的数据为空，此时的key1-value1添加成功。----情况1

• 如果此位置上的数据不为空，意味着此位置上存在一个或多个数据(以链表形式存在)，比较key1和已经存在的一个或多个数据的哈希值

• 如果key1的哈希值与已经存在的数据的哈希值都不相同，此时key1-value1添加成功。----情况2

• 如果key1的哈希值和已经存在的某一个数据(key2-value2)的哈希值相同，继续比较：调用key1所在类的equals(key2)方法，如果equals()返回false：此时key1-value1添加成功。----情况3

• 如果equals()返回true，则替换原来的旧值，put()中存在替换的功能。

补充：关于情况2和情况3，此时key1-value1和原来的数据以链表的方式存储。

在不断的添加过程中，，当超出临界值(且要存放的位置非空)时，则会扩容。
默认的扩容方式：扩容为原来容量的2倍，并将原的数据复制过来。

HashMap在jdk8中的原理

1. new HashMap()：初始化时底层没创建一个长度为16的数组
2. 首次调用put()方法时，底层创建长度为16的数组
3. jdk 8底层的数组是：Node[]，而非Entry[]
4. jdk7底层结构：数组+链表。jdk8中底层结构：数组+链表+红黑树。
   形成链表时，七上八下（jdk7:新的元素指向旧的元素。jdk8：旧的元素指向新的元素）

HashMap底层典型属性的属性的说明：

• DEFAULT_INITIAL_CAPACITY : HashMap的默认容量，16
• MAXIMUM_CAPACITY ： HashMap的最大支持容量，2^30
• DEFAULT_LOAD_FACTOR：HashMap的默认加载因子
• TREEIFY_THRESHOLD：Bucket中链表长度大于该默认值，转化为红黑树
• UNTREEIFY_THRESHOLD：Bucket中红黑树存储的Node小于该默认值，转化为链表
• 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。
• table：存储元素的数组，总是2的n次幂
• entrySet：存储具体元素的集
• size：HashMap中存储的键值对的数量
• modCount：HashMap扩容和结构改变的次数。
• threshold：扩容的临界值，其值为容量*填充因子
• loadFactor：填充因子

存储结构

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。

那么HashMap什么时候进行扩容和树形化呢？

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16*0.75=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，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。 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会先扩容解决，如果已经达到了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。

常见问题

是否可为null

• HashMap允许一个键为null的键值对存在，允许多个值为null的键值对存在
• TreeMap不允许键为null

线程不安全问题

https://blog.csdn.net/bfj11/article/details/123328369

我们都知道 HashMap 是线程不安全的，那 HashMap 为什么线程不安全？JDK1.8 还有这些问题吗？如何解决这些问题呢？本文将对该问题进行解密。

多线程下扩容死死链

https://blog.csdn.net/qq_36520235/article/details/86653136

JDK1.7中的 HashMap 使用头插法插入元素，在多线程的环境下，扩容的时候有可能导致环形链表的出现，形成死循环。因此，JDK1.8使用尾插法插入元素，在扩容时会保持链表元素原本的顺序，不会出现环形链表的问题。

简单讲，出现死链的原因是因为JDK 7 扩容时头插法改变了链表顺序