从根到叶：深入了解Map和Set

窗间映出一片高远的天空，

向晚的天际宁静而又清明。

我孤独的心灵在幸福地哭泣，

它在为天空如此美好而高兴。

恬静的晚霞一片火红，

晚霞灼烧着我的热情。

此刻的世界没有别人，

只有上帝，我和天空。

                                                                                                            ——（俄）吉皮乌斯《瞬间》

一.概念及场景

Map和Set是两种常见的数据结构，用于在编程中组织和存储数据。它们通常在不同的场景中使用，具有不同的特点和用途。

1.Map（映射）是一种将键（key）与值（value）相关联的数据结构。它提供了一种通过键快速查找值的方式。在Map中，每个键是唯一的，而值可以重复。

Map的场景：

  •  数据索引和快速查找：Map允许通过键快速查找对应的值，因此在需要高效的数据检索和索引的场景中经常使用。例如，将学生的学号与其成绩关联起来，可以通过学号快速查找对应的成绩。
  • 数据去重：由于Map中的键是唯一的，可以利用这个特性进行数据的去重操作。例如，可以使用Map来统计一段文本中不同单词的出现次数，只保留每个单词的一个实例。

2.Set（集合）是一种存储独特元素的数据结构，其中每个元素都是唯一的。Set通常用于判断元素是否存在，而不关心元素的顺序。Set的实现通常基于哈希表或树结构。

Set的场景：

  •  数据去重：由于Set中的元素是唯一的，可以使用Set来去除重复的数据。例如，从一个数组中去除重复的元素，可以通过将数组元素添加到Set中来实现。
  • 成员关系判断：Set提供了高效的成员关系判断操作。例如，可以使用Set来判断一个元素是否属于某个特定集合。

相关模型：

一般把搜索的数据称为关键字（Key），和关键字对应的称为值（Value），将其称之为Key-value的键值对，所以模型会有两种：

1. 纯 key 模型
  • 比如： 有一个英文词典，快速查找一个单词是否在词典中快速查找某个名字在不在通讯录中
2. Key-Value 模型
  • 比如： 统计文件中每个单词出现的次数，统计结果是每个单词都有与其对应的次数：<单词，单词出现的次数>
  • 梁山好汉的江湖绰号：每个好汉都有自己的江湖绰号
而 Map 中存储的就是 key-value 的键值对， Set 中只存储了 Key 。

总结：
Map适用于需要将键与值相关联的场景，提供了快速的查找和索引功能。Set适用于存储唯一元素的场景，并提供了高效的成员关系判断。两者都在去重操作中有应用，但在其他的具体应用场景中，选择使用Map还是Set取决于具体的需求和数据结构的特点。

二.Map的说明及使用

2.1关于Map说明

如图所示：
Map 是一个接口类，该类没有继承自 Collection ，该类中存储的是 <K,V> 结构的键值对，并且 K 一定是唯一的，不 能重复 。

Map的特点和操作：

  1. 键-值对：Map中的数据以键-值对的形式进行存储。每个键都与一个特定的值相关联。
  2. 唯一键：Map中的键是唯一的，不允许重复。当尝试添加一个已经存在的键时，新的值会覆盖旧的值。
  3. 快速查找：Map提供了快速的查找功能，可以通过键来获取对应的值。这使得Map在需要高效的数据检索和索引的场景中非常有用。
  4. 增加和删除元素：可以向Map中添加新的键-值对，也可以删除已有的键-值对。
  5. 迭代：Map可以进行迭代操作，以便对其中的键-值对进行遍历和处理。

Map的常用方法说明：

2.2HashMap和TreeMap

HashMap和TreeMap是两种常见的Map实现，它们在底层数据结构和性能特点上有所区别。

HashMap：

  • 底层数据结构：HashMap使用哈希表（Hash Table）作为底层数据结构，通过哈希函数将键映射到数组索引位置。
  • 键的存储顺序：HashMap中的键是无序存储的，即键的顺序不受插入顺序的影响。
  • 时间复杂度：平均情况下，HashMap提供常数时间复杂度（O(1)）的查找、插入和删除操作。
  • 适用场景：HashMap适用于需要快速查找、插入和删除键值对，并不关心顺序的场景。它在大多数情况下具有较高的性能。

HashMap的使用：

代码案例：

import java.util.HashMap;public class HashMapExample {public static void main(String[] args) {// 创建HashMap实例HashMap<String, Integer> hashMap = new HashMap<>();// 插入键值对hashMap.put("apple", 10);hashMap.put("banana", 5);hashMap.put("orange", 8);hashMap.put("grapes", 15);hashMap.put("kiwi", 20);hashMap.put("mango", 12);// 获取值int appleCount = hashMap.get("apple");System.out.println("Number of apples: " + appleCount);// 检查键是否存在boolean containsKey = hashMap.containsKey("banana");System.out.println("Contains banana: " + containsKey);// 删除键值对hashMap.remove("orange");// 迭代键值对for (String key : hashMap.keySet()) {int value = hashMap.get(key);System.out.println(key + ": " + value);}}
}

 运行如下：

TreeMap：

  • 底层数据结构：TreeMap使用红黑树（Red-Black Tree）作为底层数据结构，保持键的有序性。
  • 键的存储顺序：TreeMap中的键是按照键的自然顺序或自定义的比较器顺序进行排序的。
  • 时间复杂度：TreeMap提供O(log n)的时间复杂度的查找、插入和删除操作，其中n是键值对的数量。
  • 适用场景：TreeMap适用于需要按照键的顺序进行遍历和检索的场景。它可以用于范围查询，例如，查找最小键、最大键以及在两个键之间的键值对。

 TreeMap的使用：

import java.util.TreeMap;public class TreeMapExample {public static void main(String[] args) {// 创建TreeMap实例TreeMap<String, Integer> treeMap = new TreeMap<>();// 插入键值对treeMap.put("apple", 10);treeMap.put("banana", 5);treeMap.put("orange", 8);treeMap.put("grapes", 15);treeMap.put("kiwi", 20);treeMap.put("mango", 12);// 获取值int appleCount = treeMap.get("apple");System.out.println("Number of apples: " + appleCount);// 检查键是否存在boolean containsKey = treeMap.containsKey("banana");System.out.println("Contains banana: " + containsKey);// 删除键值对treeMap.remove("orange");// 迭代键值对for (String key : treeMap.keySet()) {int value = treeMap.get(key);System.out.println(key + ": " + value);}}
}

运行如下：

 HashMap和TreeMap的区别：

底层数据结构：

  • HashMap使用哈希表（数组+链表/红黑树）实现，通过哈希函数将键映射到数组索引位置，解决哈希冲突使用链表或红黑树。
  • TreeMap使用红黑树实现，保持键的有序性，每个节点都遵循二叉搜索树的性质。

插入和查找操作性能：

  • HashMap的插入和查找操作的平均时间复杂度为O(1)，即常数时间复杂度。但在发生哈希冲突时，性能可能会下降，需要通过链表或红黑树进行顺序查找，最坏情况下的时间复杂度为O(n)。
  • TreeMap的插入和查找操作的时间复杂度为O(log n)，其中n是元素的数量。由于使用红黑树作为底层数据结构，保持有序性，因此查找操作更加高效。

排序特性：

  • HashMap不保持键的有序性，键的顺序是不确定的。
  • TreeMap根据键的自然顺序或自定义比较器对键进行排序，提供有序的键值对遍历。

存储空间：

  • HashMap在内部使用数组来存储键值对，不保证顺序，因此通常占用较少的存储空间。
  • TreeMap使用红黑树作为底层数据结构，保持键的有序性，因而在存储大量数据时占用的存储空间通常会更多。

参考下图： 

2.3关于于Map.Entry<K, V>的说明

Map.Entry<K, V> 是 Map 内部实现的用来存放 <key, value> 键值对映射关系的内部类 ，该内部类中主要提供了<key, value>的获取， value 的设置以及 Key 的比较方式。
提供方法：

代码案例:

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;public class MapExample {public static void main(String[] args) {// 创建一个HashMap实例Map<String, Integer> map = new HashMap<>();// 添加键值对到Map中map.put("apple", 10);map.put("banana", 5);map.put("orange", 8);// 遍历Map中的条目for (Map.Entry<String, Integer> entry : map.entrySet()) {String key = entry.getKey();Integer value = entry.getValue();System.out.println("Key: " + key + ", Value: " + value);}// 获取指定键的值int appleCount = map.get("apple");System.out.println("Number of apples: " + appleCount);// 使用setValue()方法更新值int newBananaCount = 7;map.entrySet().stream().filter(entry -> entry.getKey().equals("banana")).findFirst().ifPresent(entry -> entry.setValue(newBananaCount));// 输出更新后的值int updatedBananaCount = map.get("banana");System.out.println("Updated number of bananas: " + updatedBananaCount);}
}

 运行如下：

注意 ： Map.Entry<K,V> 并没有提供设置 Key 的方法

 三.Set的说明及使用

 3.1关于Set说明

Set与Map主要的不同有两点：Set是继承自Collection的接口类，Set中只存储了Key。

Set的特点和操作：

  1. 唯一性：Set中的元素是唯一的，不会出现重复的元素。如果尝试将重复的元素添加到Set中，它将被忽略。

  2. 无序性：Set中的元素没有特定的顺序。这意味着你不能通过索引来访问Set中的元素。如果需要按特定顺序遍历元素，可以将Set转换为列表或使用其他有序数据结构。

  3. 可变性：Set是可变的，可以添加或删除元素。可以通过添加新元素或删除现有元素来修改Set。

  4. 高效性：Set提供了高效的成员检查操作。由于Set使用了哈希表或类似的数据结构来实现，它可以在平均情况下以常量时间复杂度（O(1)）执行插入、删除和查找操作。

  5. 迭代性：Set支持迭代操作，可以使用循环遍历Set中的所有元素。

  6. 数学集合操作：Set还支持常见的数学集合操作，例如并集、交集和差集。这些操作使得可以对Set进行合并、比较和筛选等操作。

Set常用方法说明：
注意：
  •  Set是继承自Collection的一个接口类
  •  Set中只存储了key，并且要求key一定要唯一
  •  TreeSet的底层是使用Map来实现的，其使用key与Object的一个默认对象作为键值对插入到Map中
  • Set最大的功能就是对集合中的元素进行去重
  • 实现Set接口的常用类有TreeSet和HashSet，还有一个LinkedHashSet，LinkedHashSet是在HashSet的基础上维护了一个双向链表来记录元素的插入次序。
  • Set中的Key不能修改，如果要修改，先将原来的删除掉，然后再重新插入
  • TreeSet中不能插入null的key，HashSet可以

 3.2TreeSet和HashSet

HashSet：

  • 唯一性：HashSet中的元素是唯一的，不会存在重复元素。如果尝试将重复的元素添加到HashSet中，它将被忽略。

  • 无序性：HashSet中的元素没有特定的顺序。元素在HashSet中的存储位置是根据元素的哈希码计算得出的，并不与插入顺序或值的大小相关。

  • 元素存储：HashSet使用哈希表（Hash Table）来存储元素。哈希表通过哈希函数将元素的值映射到桶（bucket）中。每个桶可以包含一个或多个元素。通过哈希函数和桶的结构，HashSet实现了高效的插入、删除和查找操作。

  • 性能：HashSet的插入、删除和查找操作的平均时间复杂度是常数时间复杂度（O(1)），在大多数情况下具有很高的性能。但是，在某些情况下，由于哈希冲突（多个元素映射到同一个桶），性能可能会下降，导致操作的时间复杂度变为O(n)。

  • 迭代性：HashSet支持迭代操作，可以使用增强的for循环或迭代器来遍历HashSet中的所有元素。但是，由于HashSet是无序的，迭代顺序不可预测。

  • 对象比较：为了正确地判断元素的相等性，HashSet要求元素类正确实现equals()和hashCode()方法。equals()方法用于比较两个元素的内容是否相等，而hashCode()方法用于计算元素的哈希码，以确定元素在哈希表中的存储位置。

import java.util.HashSet;
import java.util.Set;public class HashSetExample {public static void main(String[] args) {// 创建一个HashSet实例Set<String> set = new HashSet<>();// 添加元素到HashSetset.add("apple");set.add("banana");set.add("orange");// 输出HashSet的大小System.out.println("HashSet size: " + set.size());// 检查元素是否存在boolean containsOrange = set.contains("orange");System.out.println("Set contains 'orange': " + containsOrange);// 移除元素set.remove("banana");// 遍历HashSet中的元素System.out.println("HashSet elements:");for (String element : set) {System.out.println(element);}// 清空HashSetset.clear();// 检查HashSet是否为空boolean isEmpty = set.isEmpty();System.out.println("HashSet is empty: " + isEmpty);}
}

运行如下：

TreeSet：

  • 唯一性：TreeSet中的元素是唯一的，不会存在重复元素。如果尝试将重复的元素添加到TreeSet中，它将被忽略。

  • 排序性：TreeSet中的元素是有序的，根据元素的自然排序或指定的比较器排序。默认情况下，元素被按升序排序。

  • 元素存储：TreeSet使用红黑树数据结构进行存储。红黑树是一种自平衡的二叉搜索树，它通过保持树的平衡性，提供了高效的插入、删除和查找操作。元素在红黑树中根据其排序顺序进行存储。

  • 性能：TreeSet的插入、删除和查找操作的平均时间复杂度是O(log n)，其中n是TreeSet中的元素数量。由于红黑树的平衡性，这些操作的性能相对稳定，不会受到元素的插入顺序的影响。

  • 迭代性：TreeSet支持迭代操作，可以使用增强的for循环或迭代器来遍历TreeSet中的所有元素。由于TreeSet是有序的，迭代顺序将按照元素的排序顺序进行。

  • 对象比较：为了正确地判断元素的相等性和排序顺序，TreeSet要求元素类实现Comparable接口或提供自定义的比较器。Comparable接口的compareTo()方法用于比较两个元素的顺序。

import java.util.TreeSet;
import java.util.Set;public class TreeSetExample {public static void main(String[] args) {// 创建一个TreeSet实例Set<String> set = new TreeSet<>();// 添加元素到TreeSetset.add("apple");set.add("banana");set.add("orange");// 输出TreeSet的大小System.out.println("TreeSet size: " + set.size());// 检查元素是否存在boolean containsOrange = set.contains("orange");System.out.println("Set contains 'orange': " + containsOrange);// 移除元素set.remove("banana");// 遍历TreeSet中的元素System.out.println("TreeSet elements:");for (String element : set) {System.out.println(element);}// 获取最小元素String firstElement = ((TreeSet<String>) set).first();System.out.println("First element: " + firstElement);// 获取最大元素String lastElement = ((TreeSet<String>) set).last();System.out.println("Last element: " + lastElement);}
}

 TreeSet和HashSet的区别：

结语：Map和Set是Java集合框架中常用的数据结构。Map是一种键值对的数据结构，用于存储和操作具有唯一键和对应值的元素，适用于缓存、数据索引和快速查找等场景。Set是一种无序、不重复元素的集合，用于存储和操作独立的元素，适用于去重和判断元素是否存在的场景。它们提供了高效的操作和查找能力，并有多个实现类可供选择，如HashMap、TreeMap、HashSet和TreeSet等，根据具体需求选择合适的实现类。

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