Java總結之對映家族--Map概覽

摘要： 所謂 對映 便是一一對應，map英語中是[地圖]的意思，這也很好的反應了對映的概念。 即：地圖上的某一點都會對應現實的某一點，說是對映可謂恰到好處。Map可以說是鍵值對的容器，key和value一一對應，也像是根據索引查詢單詞。 索引當然是不能重複的。如果你發現一個字典的索引有兩個...

所謂 對映 便是一一對應，map英語中是[地圖]的意思，這也很好的反應了對映的概念。

即：地圖上的某一點都會對應現實的某一點，說是對映可謂恰到好處。Map可以說是鍵值對的容器，key和value一一對應，也像是根據索引查詢單詞。

索引當然是不能重複的。如果你發現一個字典的索引有兩個[apple],你肯定會認為這個字典有問題。或者一個地圖上查詢兩個[合肥],恐怕你也不會相信這張地圖是好的。所以Map可作為Set的超集，Java中的Set集合的底層便是根據Map實現的。

Map家族一覽

一、永恆閃耀的明星：HashMap

作為一個多考點的類，說起HashMap總是有種神聖不可侵犯的感覺。

相關話題:

雜湊碰撞相關問題：什麼是雜湊碰撞，如何降低雜湊碰撞機率，雜湊碰撞後的解決方案

HashMap底層實現問題：連結串列陣列+紅黑樹陣列，為什麼要使用這樣的資料結構

由此可以引出連結串列與陣列的比較：效率問題，空間問題,連結串列的實現

由此也引出紅黑樹的相關問題：什麼是紅黑樹,紅黑樹的特點，紅黑樹的翻轉，紅黑樹與AVL樹的比較

來看一下HashMap的資料結構

這裡是Map總結篇，所以只是簡單的看一下，在HashMap精析中會詳細解釋

1---開啟原始碼，可以看出內部有一個Node類，而且是單鏈表

2---開啟原始碼，可以看出內部有一個TreeNode類，而且是紅黑樹

3---可以看到內部維護一個連結串列的陣列，當雜湊衝突時將資料插入連結串列尾

4---所以HashMap集陣列+單鏈表+紅黑樹於一身，對資料結構而言，確實很經典。

連結串列節點類：可見是一個單鏈表

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash;
final K key;
V value;
Node<K,V> next;

紅黑樹節點類

static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {
TreeNode<K,V> parent;// red-black tree links
TreeNode<K,V> left;
TreeNode<K,V> right;
TreeNode<K,V> prev;// needed to unlink next upon deletion
boolean red;
TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
super(hash, key, val, next);
}

//可以看到內部維護一個數組連結串列
transient Node<K,V>[] table;

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
//tab：記錄當前連結串列的陣列
//n:當前連結串列的陣列的長度
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)//hash:傳入鍵的hash值
//可以看到新增元素並且沒有雜湊碰撞時，將元素放入陣列的下一位
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {//否則，即雜湊衝突了
Node<K,V> e; K k;
if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
else if (p instanceof TreeNode)//如果是樹，按樹的插入
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {//否則，按連結串列的插入，
//關於bin:就像數組裡放了一個個垃圾桶(連結串列),來一個雜湊衝突的就往裡扔一個，
//所以binCount就是連結串列的容量
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
//連結串列新增節點
p.next = newNode(hash, key, value, null);
//數量達到樹化閥值
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);//樹化連結串列
break;
}
//省略...
}

總結一下

1.HashMap會建立一個1 << 4(即16)的Node<K,V>(連結串列)陣列，
2.當hash衝突時，該元素會插入到與其衝突的連結串列尾
3.當連結串列長度為8並且陣列長度大於40時，連結串列轉為紅黑樹
4.當樹元素小於等於6時會解除樹化，分割成連結串列

為什麼連結串列要化為紅黑樹

單鏈表查詢、修改、移除、尾部新增元素的時間複雜度為O(n)
紅黑樹查詢、修改、移除、新增元素的時間複雜度為O(logn)
在資料量比較大師O(logn)的效率要比O(n)快很多(可根據數學上兩種曲線比較)

紅黑樹這麼好，為什麼不直接用紅黑樹?

1.考慮到雜湊衝突的資料不會是巨量的
2.在資料量比較少(樹化閥值為8)的時候O(n)和O(logn)並無不同
3.紅黑樹在插入和移除時會進行額外的旋轉操作,而且維護的成員變數較多邏輯較複雜，所以低資料量時反而不如單鏈表

二、鏈式雜湊對映：LinkedHashMap--我有序，我驕傲

LinkedHashMap<K,V>extends HashMap<K,V> ,so LinkedHashMap擁有HashMap功力

可見Entry是繼承自HashMap.Node(單鏈表)的， Entry<K,V> before, after，說明Entry是一個雙鏈表

由此解決了HashMap不能隨時保持遍歷順序和插入順序一致的問題，詳細原理會另開一篇

static class Entry<K,V> extends HashMap.Node<K,V> {
Entry<K,V> before, after;
Entry(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
super(hash, key, value, next);
}
}

三、樹形對映：TreeMap--我是紅黑樹

1----基於紅黑樹，由於紅黑樹是一種特殊的二分搜尋樹，所以可保證鍵的有序性，也可自定義排序規則

2----containsKey、get、put 和 remove 操作時間複雜度結尾O(logn)

可見節點為紅黑樹

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;

四、雜湊表：Hashtable--就讓我成為歷史，躲在JDK的漆黑角落。但面試官總愛挖墳...

Hashtable的老爹Dictionary這樣介紹自己："NOTE: This class is obsolete"

底層陣列+連結串列實現,無論key還是value都不能為null，
執行緒安全，實現執行緒安全的方式是在修改資料時鎖住整個HashTable，效率低
初始size為11，擴容：newsize = olesize*2+1
計算index的方法：index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length

五、併發雜湊對映：ConcurrentHashMap--我為併發而生

不是一兩句話能說清的

ConcurrentHashMap鎖的粒度，為對每個陣列元素(Node)，Hashtable鎖的粒度，為對整個陣列

最後總的比較一下

專案	執行緒安全?	實現	擴容方式	null鍵值	父類
HashMap	否	陣列+單鏈表+紅黑樹	oldCap * 2	允許	AbstractMap
Hashtable	是	陣列 + 連結串列	oldCap * 2 + 1	不允許	Dictionary
ConcurrentHashMap	是	陣列+單鏈表+紅黑樹	oldCap * 2	允許	AbstractMap
LinkedHashMap	否	陣列+單鏈表+紅黑樹+雙鏈表	oldCap * 2	允許	HashMap
TreeMap	否	紅黑樹	----	允許	AbstractMap

後記：捷文規範

1.本文成長記錄及勘誤表

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