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集合篇---Map集合

news 来源：原创 2024/5/8 13:54:01

1.概述

Map用于保存具有映射关系的数据，因此Map集合里保存着两组值，一组值用于保存Map里的key，另外一组值用于保存Map里的value，key和value都可以是任何引用类型的数据。Map的key不允许重复，即同一个Map对象的任何两个key通过equals方法比较总是返回false。

Map提供了一个Entry内部类来封装key-value对，而计算Entry存储时则只考虑Entry封装的key。从Java源码来看， Java是先实现了Map，然后通过包装一个所有value都为null的Map就实现了Set集合。

Map接口中定义了如下常用的方法。

void clear()：删除该Map对象中的所有key-value对。
boolean containsKey(Object key)：查询Map中是否包含指定的key，如果包含则返回true。
boolean containsValue(Object value)：查询Map中是否包含一个或多个value，如果包含则返回true。
Set entrySet()：返回Map中包含的key-value对所组成的Set集合，每个集合元素都是Map.Entry （Entry是Map的内部类）对象。
Object get(Object key)：返回指定key所对应的value；如果此Map中不包含该key，则返回null。
boolean isEmpty()：查询该Map是否为空（即不包含任何key-value对），如果为空则返回true。
Set keySet()：返回该Map中所有key组成的Set集合。
Object put(Object key, Object value)：添加一个key-value对，如果当前Map中已有一个与该key相等的key-value对，则新的key-value对会覆盖原来的key-value对。
void putAll(Map m)：将指定Map中的key-value对复制到本Map中。
Object remove(Object key)：删除指定key所对应的key-value对，返回被删除key所关联的value，如果该key不存在，则返回null。
int size()：返回该Map里的key-value对的个数。
Collection values()：返回该Map里所有value组成的Collection。

Map接口实现类

Map中包括一个内部类Entry，该类封装了一个key-value对。Entry包含如下三个方法。

Object getKey()：返回该Entry里包含的key值。
Object getValue()：返回该Entry里包含的value值。
Object setValue(V value)：设置该Entry里包含的value值，并返回新设置的value值。

2. HashMap和Hashtable实现类

HashMap和Hashtable都是Map接口的典型实现类，它们之间的关系完全类似于ArrayList和Vector的关系：Hashtable是一个古老的Map实现类，它从JDK 1.0起就已经出现了，当它出现时，Java还没有提供Map接口，所以它包含了两个烦琐的方法，即elements()（类似于Map接口定义的values()方法）和keys()（类似于Map接口定义的keySet()方法），现在很少使用这两个方法。

Hashtable和HashMap存在两点典型区别：

Hashtable是一个线程安全的Map实现，但HashMap是线程不安全的实现，所以HashMap比Hashtable的性能高一点；但如果有多个线程访问同一个Map对象时，使用Hashtable实现类会更好。
Hashtable不允许使用null作为key和value，如果试图把null值放进Hashtable中，将会引发NullPointerException异常；但HashMap可以使用null作为key或value。

与HashSet集合不能保证元素的顺序一样，HashMap、Hashtable也不能保证其中key-value对的顺序。类似于HashSet，HashMap、Hashtable判断两个key相等的标准也是：两个key通过equals()方法比较返回true，两个key的hashCode值也相等。HashMap、Hashtable判断两个value相等的标准更简单：只要两个对象通过equals()方法比较返回true即可。

3. LinkedHashMap实现类

LinkedHashMap也使用双向链表来维护key-value对的次序（其实只需要考虑key的次序），该链表负责维护Map的迭代顺序，迭代顺序与key-value对的插入顺序保持一致。LinkedHashMap可以避免对HashMap、Hashtable里的key-value对进行排序（只要插入key-value对时保持顺序即可），同时又可避免使用TreeMap所增加的成本。

LinkedHashMap需要维护元素的插入顺序，因此性能略低于HashMap的性能；但因为它以链表来维护内部顺序，所以在迭代访问Map里的全部元素时将有较好的性能。

4. 使用Properties读写属性文件

Properties类是Hashtable类的子类，该对象在处理属性文件时特别方便（Windows操作平台上的ini文件就是一种属性文件）。Properties类可以把Map对象和属性文件关联起来，从而可以把Map对象中的key-value对写入属性文件中，也可以把属性文件中的“属性名=属性值”加载到Map对象中。由于属性文件里的属性名、属性值只能是字符串类型，所以Properties里的key、value都是字符串类型。该类提供了如下三个方法来修改Properties里的key、value值。

String getProperty(String key)：获取Properties中指定属性名对应的属性值，类似于Map的get(Object key)方法。
String getProperty(String key, String defaultValue)：该方法与前一个方法基本相似。该方法多一个功能，如果Properties中不存在指定的key时，则该方法指定默认值。
Object setProperty(String key, String value)：设置属性值，类似于Hashtable的put()方法。

除此之外，它还提供了两个读写Field文件的方法。

void load(InputStream inStream)：从属性文件（以输入流表示）中加载key-value对，把加载到的key-value对追加到Properties里（Properties是Hashtable的子类，它不保证key-value对之间的次序）。
void store(OutputStream out, String comments)：将Properties中的key-value对输出到指定的属性文件（以输出流表示）中。

5. SortedMap接口和TreeMap实现类

正如Set接口派生出SortedSet子接口，SortedSet接口有一个TreeSet实现类一样，Map接口也派生出一个SortedMap子接口，SortedMap接口也有一个TreeMap实现类。TreeMap就是一个红黑树数据结构，每个key-value对即作为红黑树的一个节点。TreeMap存储key-value对（节点）时，需要根据key对节点进行排序。TreeMap可以保证所有的key-value对处于有序状态。

TreeMap也有两种排序方式。

自然排序：TreeMap的所有key必须实现Comparable接口，而且所有的key应该是同一个类的对象，否则将会抛出ClassCastException异常。
定制排序：创建TreeMap时，传入一个Comparator对象，该对象负责对TreeMap中的所有key进行排序。采用定制排序时不要求Map的key实现Comparable接口。

类似于TreeSet中判断两个元素相等的标准，TreeMap中判断两个key相等的标准是：两个key通过compareTo()方法返回0，TreeMap即认为这两个key是相等的。

如果使用自定义类作为TreeMap的key，且想让TreeMap良好地工作，则重写该类的equals()方法和compareTo()方法时应保持一致的返回结果：两个key通过equals()方法比较返回true时，它们通过compareTo()方法比较应该返回0。如果equals()方法与compareTo()方法的返回结果不一致， TreeMap与Map接口的规则就会冲突。

注意：如果使用自定义类作为TreeMap的key，且想让TreeMap良好地工作，则重写该类的equals()方法和compareTo()方法时应保持一致的返回结果：两个key通过equals()方法比较返回true时，它们通过compareTo()方法比较应该返回0。如果equals()方法与compareTo()方法的返回结果不一致， TreeMap与Map接口的规则就会冲突。

与TreeSet类似的是，TreeMap中也提供了一系列根据key顺序访问key-value对的方法。

Map.Entry firstEntry()：返回该Map中最小key所对应的key-value对，如果该Map为空，则返回null。
Object firstKey()：返回该Map中的最小key值，如果该Map为空，则返回null。
Map.Entry lastEntry()：返回该Map中最大key所对应的key-value对，如果该Map为空或不存在这样的key-value对，则都返回null。
Object lastKey()：返回该Map中的最大key值，如果该Map为空或不存在这样的key，则都返回null。
Map.Entry higherEntry(Object key)：返回该Map中位于key后一位的key-value对（即大于指定key的最小key所对应的key-value对）。如果该Map为空，则返回null。
Object higherKey(Object key)：返回该Map中位于key后一位的key值（即大于指定key的最小key值）。如果该Map为空或不存在这样的key-value对，则都返回null。
Map.Entry lowerEntry(Object key)：返回该Map中位于key前一位的key-value对（即小于指定key的最大key所对应的key-value对）。如果该Map为空或不存在这样的key-value对，则都返回null。
Object lowerKey(Object key)：返回该Map中位于key前一位的key值（即小于指定key的最大key值）。如果该Map为空或不存在这样的key，则都返回null。
NavigableMap subMap(Object fromKey, boolean fromInclusive,Object toKey, boolean toInclusive)：返回该Map的子Map，其key的范围是从fromKey（是否包括取决于第二个参数）到toKey（是否包括取决于第四个参数）。
SortedMap subMap(Object fromKey, Object toKey)：返回该Map的子Map，其key的范围是从fromKey（包括）到toKey（不包括）。
SortedMap tailMap(Object fromKey)：返回该Map的子Map，其key的范围是大于fromKey（包括）的所有key。
NavigableMap tailMap(Object fromKey, boolean inclusive)：返回该Map的子Map，其key的范围是大于fromKey（是否包括取决于第二个参数）的所有key。
SortedMap headMap(Object toKey)：返回该Map的子Map，其key的范围是小于toKey（不包括）的所有key。
NavigableMap headMap(Object toKey, boolean inclusive)：返回该Map的子Map，其key的范围是小于toKey（是否包括取决于第二个参数）的所有key。

TreeMap中的key-value对是有序的，所以增加了访问第一个、前一个、后一个、最后一个key-value对的方法，并提供了几个从TreeMap中截取子TreeMap的方法。

6. WeakHashMap实现类

WeakHashMap与HashMap的用法基本相似。与HashMap的区别在于，HashMap的key保留了对实际对象的强引用，这意味着只要该HashMap对象不被销毁，该HashMap的所有key所引用的对象就不会被垃圾回收，HashMap也不会自动删除这些key所对应的key-value对；但WeakHashMap的key只保留了对实际对象的弱引用，这意味着如果WeakHashMap对象的key所引用的对象没有被其他强引用变量所引用，则这些key所引用的对象可能被垃圾回收，WeakHashMap也可能自动删除这些key所对应的key-value对。

WeakHashMap中的每个key对象只持有对实际对象的弱引用，因此，当垃圾回收了该key所对应的实际对象之后，WeakHashMap会自动删除该key对应的key-value对。

7. IdentityHashMap实现类

这个Map实现类的实现机制与HashMap基本相似，但它在处理两个key相等时比较独特：在IdentityHashMap中，当且仅当两个key严格相等（key1==key2）时，IdentityHashMap才认为两个key相等；对于普通的HashMap而言，只要key1和key2通过equals()方法比较返回true，且它们的hashCode值相等即可。

IdentityHashMap提供了与HashMap基本相似的方法，也允许使用null作为key和value。与HashMap相似：IdentityHashMap也不保证key-value对之间的顺序，更不能保证它们的顺序随时间的推移保持不变。

8. EnumMap实现类

EnumMap是一个与枚举类一起使用的Map实现，EnumMap中的所有key都必须是单个枚举类的枚举值。创建EnumMap时必须显式或隐式指定它对应的枚举类。

EnumMap在内部以数组形式保存，所以这种实现形式非常紧凑、高效。EnumMap根据key的自然顺序（即枚举值在枚举类中的定义顺序）来维护key-value对的顺序。当程序通过keySet()、entrySet()、values()等方法遍历EnumMap时可以看到这种顺序。

EnumMap不允许使用null作为key，但允许使用null作为value。如果试图使用null作为key时将抛出NullPointerException异常。如果只是查询是否包含值为null的key，或只是删除值为null的key，都不会抛出异常。

与创建普通的Map有所区别的是，创建EnumMap时必须指定一个枚举类，从而将该EnumMap和指定枚举类关联起来。

9. 各Map实现类的性能分析

对于Map的常用实现类而言，HashMap和Hashtable的效率大致相同，因为它们的实现机制几乎完全一样；但HashMap通常比Hashtable要快一点，因为Hashtable需要额外的线程同步控制。
TreeMap通常比HashMap、Hashtable要慢（尤其在插入、删除key-value对时更慢），因为TreeMap底层采用红黑树来管理key-value对（红黑树的每个节点就是一个key-value对）。
使用TreeMap有一个好处：TreeMap中的key-value对总是处于有序状态，无须专门进行排序操作。当TreeMap被填充之后，就可以调用keySet()，取得由key组成的Set，然后使用toArray()方法生成key的数组，接下来使用Arrays的binarySearch()方法在已排序的数组中快速地查询对象。
对于一般的应用场景，程序应该多考虑使用HashMap，因为HashMap正是为快速查询设计的（HashMap底层其实也是采用数组来存储key-value对）。但如果程序需要一个总是排好序的Map时，则可以考虑使用TreeMap。
LinkedHashMap比HashMap慢一点，因为它需要维护链表来保持Map中key-value时的添加顺序。IdentityHashMap性能没有特别出色之处，因为它采用与HashMap基本相似的实现，只是它使用==而不是equals()方法来判断元素相等。EnumMap的性能最好，但它只能使用同一个枚举类的枚举值作为key。

10. HashSet和HashMap的性能选项

对于HashSet及其子类而言，它们采用hash算法来决定集合中元素的存储位置，并通过hash算法来控制集合的大小；对于HashMap、Hashtable及其子类而言，它们采用hash算法来决定Map中key的存储，并通过hash算法来增加key集合的大小。

hash表里可以存储元素的位置被称为“桶（bucket）”，在通常情况下，单个“桶”里存储一个元素，此时有最好的性能：hash算法可以根据hashCode值计算出“桶”的存储位置，接着从“桶”中取出元素。但hash表的状态为open：在发生“hash冲突”的情况下，单个桶会存储多个元素，这些元素以链表形式存储，必须按顺序搜索。

HashSet、HashMap的hash表包含如下属性。

容量（capacity）：hash表中桶的数量。
初始化容量（initial capacity）：创建hash表时桶的数量。HashMap和HashSet都允许在构造器中指定初始化容量。
尺寸（size）：当前hash表中记录的数量。
负载因子（load factor）：负载因子等于“size/capacity”。负载因子为0，表示空的hash表，0.5表示半满的散列表，依此类推。轻负载的散列表具有冲突少、适宜插入与查询的特点（但是使用Iterator迭代元素时比较慢）。除此之外，hash表里还有一个“负载极限”，“负载极限”是一个0~1的数值，“负载极限”决定了hash表的最大填满程度。当hash表中的负载因子达到指定的“负载极限”时，hash表会自动成倍地增加容量（桶的数量），并将原有的对象重新分配，放入新的桶内，这称为rehashing。HashSet和HashMap、Hashtable的构造器允许指定一个负载极限，HashSet和HashMap、Hashtable默认的“负载极限”为0.75，这表明当该hash表的3/4已经被填满时，hash表会发生rehashing。

“负载极限”的默认值（0.75）是时间和空间成本上的一种折中：较高的“负载极限”可以降低hash表所占用的内存空间，但会增加查询数据的时间开销，而查询是最频繁的操作（HashMap的get()与put()方法都要用到查询）；较低的“负载极限”会提高查询数据的性能，但会增加hash表所占用的内存开销。

可以根据实际情况来调整HashSet和HashMap的“负载极限”值。如果开始就知道HashSet和HashMap、Hashtable会保存很多记录，则可以在创建时就使用较大的初始化容量，如果初始化容量始终大于HashSet和HashMap、Hashtable所包含的最大记录数除以负载极限，就不会发生rehashing。使用足够大的初始化容量创建HashSet和HashMap、Hashtable时，可以更高效地增加记录，但将初始化容量设置太高可能会浪费空间，因此通常不要将初始化容量设置得太高。