Java集合--Map

1、Map集合概述

在Java的集合框架中，Map为双列集合，在Map中的元素是成对以<K,V>键值对的形式存在的，通过键可以找对所对应的值。Map接口有许多的实现类，各自都具有不同的性能和用途。常用的Map接口实现类有HashMap、Hashtable、TreeMap、LinkedHashMap和ConcurrentHashMap。

2、Map集合主要特点

Map中的元素都是以<K,V>键值对的形式存在；
Map中每个键最多映射到一个值，也就是说通过一个key最多只能获取到一个值；
Map中的key是无序的、不可重复的；
Map中的value是无序的、可重复的；

3、HashMap

3.1、HashMap简介

HashMap 是 Java 中一个非常常用的集合类，可以通过key的 HashCode 值来快速访问值，具有很快的访问速度，并且由于存储的键值对是无序的，插入的顺序并不会影响到查询的结果。
在 HashMap 中，允许存储的键为 null，value也可以为null，但只能有一个key 为 null。键值对是通过键的 HashCode 值来存储的，如果多个键的 HashCode 值相同，它们就会被存储在同一个桶中，也就是所谓的哈希桶。每个桶是一个单向链表或双向链表，存储了所有哈希值相同的键值对。当我们向 HashMap 中添加一个键值对时，它会根据键的 HashCode 值计算出一个哈希桶的索引，然后将键值对存储在对应的哈希桶中，并将哈希桶中的链表或双向链表更新为当前节点后面的节点。
HashMap 继承自 AbstractMap，实现了 Map、Cloneable、java.io.Serializable 接口。HashMap 的 key 与 value 类型可以相同也可以不同，可以是字符串（String）类型的 key 和 value，也可以是整型（Integer）的 key 和字符串（String）类型的 value。

3.2、HashMap底层数据结构

Java 中的 HashMap 底层数据结构主要由数组、链表、红黑树三部分组成，jdk 1.8之前采用数组+链表，jdk 1.8 采用数组+链表+红黑树的方式。
在这里插入图片描述

数组（Array）：HashMap 内部维护了一个 Entry 数组，用于存储键值对。每个 Entry 包含了一个键对象和一个值对象，它们都是通过哈希函数计算得到的哈希码值作为索引，存放在数组中。
链表（Linked List）：当多个键的哈希码值相同时，它们会被存储在同一个桶中，也就是所谓的哈希桶。每个桶是一个单向链表或双向链表，存储了所有哈希值相同的键值对，链表是为了解决hash冲突的。
红黑树（Tree）：当链表的长度超过阈值时，在JDK 1.8 之后这个阈值默认为 8，链表会转换成红黑树。红黑树是一种自平衡的二叉查找树，可以快速查找元素。

3.3、HashMap常见问题

3.3.1、哈希码是什么？

哈希码（Hash Code）是用于计算键的哈希值，以便在存储和查询时使用的。哈希码的计算方式是通过将键的哈希值存储在数组中的一个位置上，这个位置称为哈希码值。当我们向 HashMap 中添加键值对时，HashMap 会使用键的哈希值来计算哈希码值，并将键值对存储在对应的哈希码值的位置上。当我们查询 HashMap 中的键值对时，HashMap 会使用键的哈希码值来计算哈希码值的位置，并在该位置上遍历所有的键值对，直到找到对应的键值对。

3.3.2、为什么哈希码在HashMap中很重要？

哈希码的重要性在于，它可以帮助我们快速地定位键值对在数组中的位置，从而提高 HashMap 的存储和查询效率。如果两个键的哈希码不同，它们会被分配到不同的桶中；如果哈希码相同，就会发生哈希冲突，需要进一步处理。

3.3.3、HashMap中如何处理哈希冲突？

为了解决哈希冲突，HashMap 使用了链地址法，即将哈希桶转换成一个链表或红黑树，存储所有哈希值相同的键值对。当多个键的哈希码值相同时，HashMap 会将它们存储在同一个桶中，并将它们转换成链表或红黑树的形式。当我们查询键值对时，HashMap 会遍历该桶中的所有键值对，直到找到对应的键值对。如果该桶中没有对应的键值对，则说明该键值对不存在，HashMap 会返回 null。

3.3.4、为什么HashMap不是线程安全的？

HashMap 内部使用了数组和链表（或红黑树）来存储键值对，当多个线程同时访问 HashMap 时，可能会出现以下问题：

多线程修改元素出现的不安全：线程 A 和线程 B 同时修改同一个 HashMap 中的键值对，由于 HashMap 是线程不安全的，当线程 A 修改键值对时，线程 B 也可能在同时修改键值对，导致数据不一致或丢失。
多线程并发扩容出现的不安全：HashMap在达到阈值时需要进行扩容，扩容时需要重新计算Hash值，重新分配存储位置。如果在扩容过程中有多个线程同时进行插入或删除操作，就可能会导致数据结构混乱，还可能会导致Map中链表的尾结点指向头结点造成死循环。

3.3.5、HashMap初始化容量是多少？

在创建 HashMap 对象时，需要传入一个整数参数，表示 HashMap 中桶的数量，默认情况下，该参数为 16。初始化容量的大小会直接影响到 HashMap 的空间利用率和性能。如果初始化容量太小，可能会导致频繁的扩容操作，从而降低性能；如果初始化容量太大，则会导致空间浪费，并且当需要进行扩容时，需要重新计算数组大小，并重新分配内存等，也会消耗一定的系统资源。

3.3.6、HashMap 为什么需要动态扩容？

为了提高 HashMap 的查询效率。当桶中链表或红黑树的长度超过一定阈值时，该阈值默认为初始容量的两倍加上负载因子的值，即 2 * initialCapacity + 0.5f。超过这个阈值会自动进行扩容到之前容量的2倍，阈值也为原来的2倍。扩容时，HashMap 会重新分配一个新的桶数组，并将原来的键值对数据复制到新的桶数组中。新的桶数组的大小通常是原来的两倍，以便容纳更多的键值对数据。由于 HashMap 的扩容操作需要重新计算哈希值，因此在扩容时会导致性能下降。为了尽可能减少扩容带来的性能损失，建议在创建 HashMap 实例时，根据实际需要设置合适的容量大小。

3.3.7、HashMap的加载因子是什么？

在 Java 中的 HashMap 中，加载因子是一个重要的参数，它决定了 HashMap 在初始化时所分配的桶的数量。加载因子的取值范围是 0.75 到 1.0 之间，通常情况下，默认的加载因子是 0.75。
加载因子的作用是控制 HashMap 中桶的数量，当桶的数量达到了加载因子所指定的最大值时，就需要进行扩容操作。加载因子的取值会直接影响到 HashMap 的空间利用率和性能，如果加载因子的取值过小，则会导致频繁的扩容操作，从而降低性能；如果加载因子的取值过大，则会导致空间浪费，并且当需要进行扩容时，需要重新计算数组大小，并重新分配内存等，也会消耗一定的系统资源。

3.3.8、HashMap如何保证key的唯一性？

当存储键值对时，先对key的hashCode值进行比较，如果不同，则认为两个key不相等，会直接插入集合中。如果两个key的hashCode值相同，则会调用equals()方法进行比较，如果equals()方法返回true，则认为两个key相等，则会覆盖掉原来的键值对；否则认为两个key不相等，会两个key会放入到同一个哈希桶中。

3.3.9、HashMap中为什么重写equals方法要重写hashcode方法？

在 Java 中，HashMap 类使用键的哈希值和键对象的equals方法来实现键的唯一性。equals方法用于比较两个对象是否相等，而hashCode方法用于生成键对象的哈希码。当两个对象通过equals方法比较相等时，它们的hashCode方法应该返回相同的值。如果两个对象的equals()方法返回true，但是它们的hashCode()方法返回的哈希码不同，那么它们就会被存在HashMap的不同桶里，导致HashMap无法正确获取对象。

3.3.10、HashMap一般用什么作为key？

在 Java 中的 HashMap 类中，键可以是任何实现了 Comparable 接口的对象。最常用的键类型是字符串。这是因为字符串类型的键可以方便地进行比较和排序，并且可以轻松地进行字符串转换。另外，字符串类型的键还可以方便地进行序列化和反序列化操作，从而方便进行数据传输和存储。其他比较常用的类型如：Integer、Long、String、Object等都可以作为key。

4、Hashtable

4.1、Hashtable 简介

Hashtable 是 Java 中的一个同步的键值对存储容器，它实现了 Map 接口。与 HashMap 不同，Hashtable 是线程安全的，它使用 synchronized 关键字将整张散列表加锁的方式来保证多线程访问时的线程安全性，因此它的运行效率非常低。
Hashtable 的key和value都不能为 null，否则会抛出NullPointerException。

4.2、Hashtable 数据结构组成

HashTable 内部的数据结构主要包括以下几个部分：

桶数组：使用一个数组来存储键值对，这个数组长度由初始容量和负载因子决定。当有新的键值对插入时，会通过哈希算法计算出键的索引位置，然后将键值对存储在相应的桶中。
synchronized 块：由于 HashTable 是线程安全的，因此在多线程环境下使用时需要进行同步操作，以防止不同线程对 HashTable 进行修改操作时发生冲突。为了保证同步操作的有效性，HashTable 使用了 synchronized 块来进行同步控制。
链表/红黑树：当 HashTable 中有多个键值对的哈希值相同时，这些键值对会被存储在同一个桶中，形成一个链表或红黑树。当链表的节点数量超过一定阈值时，会将链表转化为红黑树，以提高查找效率。

4.3、Hashtable 底层原理

初始大小为11，加载因子为0.75；
阈值threshold = initialCapacity * loadFactor；
扩容机制为大于阈值threshold就进行扩容；

5、TreeMap

5.1、TreeMap简介

TreeMap 是 Java 中的一个基于红黑树的排序 Map 实现，它实现了 NavigableMap 接口，用于存储有序的键值对。由于红黑树的查找效率比链表要慢一些，因此在键值对数量较多的情况下，使用 TreeMap 可能会影响性能。但是，由于 TreeMap 可以保证键值对的有序性，因此在一些需要按照键进行排序的场景下，使用 TreeMap 是比较合适的。
TreeMap的key不能为 null，value可以为null。

5.2、TreeMap 数据结构组成

TreeMap 内部的数据结构主要包括以下几个部分：

红黑树：使用红黑树来实现有序的键值对存储，红黑树是一种自平衡的二叉搜索树，可以保证节点之间的排序关系。
排序规则：内部维护了一个比较器，用于定义键的排序规则。当插入键值对时，TreeMap 会根据比较器的返回值来确定键的排序顺序。
导航操作：提供了一些导航操作，如 subMap、navigate、climbUp、climbDown 等，用于查找、遍历、上翻、下翻等操作。

6、LinkedHashMap

6.1、LinkedHashMap简介

LinkedHashMap 是 Java 中的一个基于双向链表的 Map 实现，它实现了 Map 接口，用于存储键值对，并支持按照插入顺序和访问顺序进行访问。由于 LinkedHashMap 是基于双向链表实现的，因此它的插入、删除、查找等操作的时间复杂度都是 O(1)，性能比较优秀。但是，由于双向链表的数据结构比较简单，因此 LinkedHashMap 的可扩展性比一些基于哈希表实现的集合要好。LinkedHashMap 不支持并发访问，如果需要在多线程环境下使用，需要进行同步控制。
LinkedHashMap 的key可以为 null，value可以为null。

6.2、LinkedHashMap 数据结构组成

LinkedHashMap 内部的数据结构主要包括以下几个部分：

双向链表：使用双向链表来存储键值对，每个节点包含前一个节点和后一个节点以及对应的键值对。
迭代器：提供了一个迭代器，用于遍历链表中的所有键值对。当迭代器遍历时，会按照插入的顺序来遍历链表。
访问顺序：能够记录键值对的访问顺序，当访问键值对时，LinkedHashMap 会根据访问顺序来返回对应的键值对，从而实现有序的访问。

7、ConcurrentHashMap

7.1、ConcurrentHashMap简介

ConcurrentHashMap 是 Java 中常用的一种并发安全的Map实现，它实现了 Map 接口，内部和 HashMap 一样，都是采用了数组 + 链表 + 红黑树的方式来实现。与hashtable不同，该类不依赖于synchronization去保证线程操作的安全，而是利用分段锁（CAS 锁）来保证数据的安全，支持的并发量相对更高。ConcurrentHashMap 插入、删除、查找等操作的时间复杂度都是 O(1)，性能也是比较优秀。但是，由于哈希表的数据结构比较复杂，因此 ConcurrentHashMap 的可扩展性相对一些基于链表的实现集合要差。
ConcurrentHashMap 的key和value都不可以为null。