Map集合
- 前言
- 一、Map集合继承树
- 1.Map实现类之一:HashMap
- (1).HashMap的存储结构:
- JDK 7:
- 添加元素的过程:
- HashMap的扩容:
- JDK 8
- HashMap什么时候进行扩容和树形化呢?
- 面试题:
- 2.Map实现类之二:LinkedHashMap
- 3.Map实现类之三:TreeMap
- 4.Map实现类之四:Hashtable
- 5.Map实现类之五:Properties
- 二、Collections工具类
- Collection 和 Collections的区别?
前言
为什么要使用集合框架
- 一方面, 面向对象语言对事物的体现都是以对象的形式,为了方便对多个对象的操作,就要对对象进行存储。另一方面,使用Array存储对象方面具有一些弊端,而Java 集合就像一种容器,可以动态地把多个对象的引用放入容器中。
- Java 集合类可以用于存储数量不等的多个对象,还可用于保存具有映射关系的
关联数组。 - Java 集合可分为 Collection 和 Map 两种体系
Collection接口:单列数据,定义了存取一组对象的方法的集合
Map接口:双列数据,保存具有映射关系“key-value对”的集合
一、Map集合继承树
- Map接口:双列数据,保存具有映射关系“key-value对”的集合
- Map与Collection并列存在。存在用于保存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集以key和value的方式存储数据:键值对
- key和value都是引用数据类型
- key和value都是存储对象的内存地址
- key起到主导的地位,value是key的一个附属品
- Map 中的 key 用Set来存放,不允许重复,即同一个 Map 对象所对应的类,须重写hashCode()和equals()方法
- 常用String类作为Map的“键”
- 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结构的理解:
- Map中的key:无序的、不可重复的,使用Set存储所有的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存储所有的value —>value所在的类要重写equals()
- 一个键值对: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
Map 接口方法:
方法 | 解释 |
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 |
元素查询的操作: | |
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 |
元视图操作的方法: | |
Set keySet() | 返回所有key构成的Set集合 |
Collection values() | 返回所有value构成的Collection集合 |
Set entrySet() | 返回所有key-value对构成的Set集合 |
添加、删除、修改操作:
@Test
public void test6(){
Map map=new HashMap();
map.put(1,123);
map.put(2,456);
map.put(3,789);
Map map1=new HashMap();
map1.put(4,246);
map1.put(5,135);
System.out.println(map);
//put:将指定key-value添加到(或修改)当前map对象中
map.put(2,789);
System.out.println(map);
//将map1中的所有key-value对存放到当前map中
map.putAll(map1);
System.out.println(map);
//移除指定key的key-value对,并返回value
map.remove(3);
System.out.println(map);
//清空当前map中的所有数据
map.clear();
System.out.println(map);
}
运行结果:
{1=123, 2=456, 3=789}
{1=123, 2=789, 3=789}
{1=123, 2=789, 3=789, 4=246, 5=135}
{1=123, 2=789, 4=246, 5=135}
{}
元素查询的操作:
@Test
public void test6(){
Map map=new HashMap();
map.put(1,123);
map.put(2,456);
map.put(3,789);
//get:获取指定key对应的value
System.out.println(map.get(1));
//boolean containsKey(Object key):是否包含指定的key
System.out.println(map.containsKey(1));
//boolean containsValue(Object value):是否包含指定的value
System.out.println(map.containsValue(123));
// int size():返回map中key-value对的个数
System.out.println(map.size());
// boolean isEmpty():判断当前map是否为空
System.out.println(map.isEmpty());
// boolean equals(Object obj):判断当前map和参数对象obj是否相等
Map map1=new HashMap();
map1.put(1,123);
map1.put(2,456);
System.out.println(map.equals(map1));
}
运行结果:
123
true
true
3
false
false
元视图操作的方法:
@Test
public void test6(){
Map map=new HashMap();
map.put(1,123);
map.put(2,456);
map.put(3,789);
// Set keySet():返回所有key构成的Set集合
System.out.println(map.keySet());
// Collection values():返回所有value构成的Collection集合
System.out.println(map.values());
// Set entrySet():返回所有key-value对构成的Set集合
System.out.println(map.entrySet());
}
运行结果:
[1, 2, 3]
[123, 456, 789]
[1=123, 2=456, 3=789]
1.Map实现类之一:HashMap
HashMap:作为Map的主要实现类;线程不安全的,效率高;存储null的key和value
- HashMap是 Map 接口使用频率最高的实现类。
- 允许使用null键和null值,与HashSet一样,不保证映射的顺序。
- 所有的key构成的集合是Set:无序的、不可重复的。所以,key所在的类要重写:equals()和hashCode()
- 所有的value构成的集合是Collection:无序的、可以重复的。所以,value所在的类要重写:equals()
- 一个key-value构成一个entry
- 所有的entry构成的集合是Set:无序的、不可重复的
- HashMap 判断两个 key 相等的标准是:两个 key 通过 equals() 方法返回 true,hashCode 值也相等。
- HashMap 判断两个 value相等的标准是:两个 value 通过 equals() 方法返回 true。
HashMap源码中的重要常量:
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,=容量*填充因子
loadFactor:填充因子
(1).HashMap的存储结构:
JDK 7及以前版本:HashMap是数组+链表结构(即为链地址法)
JDK 8版本发布以后:HashMap是数组+链表+红黑树实现。
JDK 7:
- HashMap的内部存储结构其实是数组和链表的结合。当实例化一个HashMap时,系统会创建一个长度为Capacity的Entry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Entry对象,但每一个Entry对象可以带一个引用变量,用于指向下一个元素,因此,在一个桶中,就有可能生成一个Entry链。而且新添加的元素作为链表的head。
添加元素的过程:
map.put(key1,value1):
- 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以后,得到在Entry数组中的存放位置。
- 1.如果此位置上的数据为空,此时的key1-value1添加成功。 ----情况1
2.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,比较:
如果equals()返回false:此时key1-value1添加成功。----情况3
如果equals()返回true:使用value1替换value2。
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,会涉及到扩容问题,当超出临界值(且要存放的位置非空)时,扩容。默认的扩容方式:扩容为原来容量的2倍,并将原有的数据复制过来。
HashMap的扩容:
当HashMap中的元素越来越多的时候,hash冲突的几率也就越来越高,因为数组的长度是固定的。所以为了提高查询的效率,就要对HashMap的数组进行扩容,而在HashMap数组扩容之后,最消耗性能的点就出现了:原数组中的数据必须重新计算其在新数组中的位置,并放进去,这就是resize。
那么HashMap什么时候进行扩容呢?
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。
JDK 8
- 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。
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。
什么时候树形化?
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。
总结:JDK1.8相较于之前的变化:
1.HashMap map = new HashMap();//默认情况下,先不创建长度为16的数组
2.当首次调用map.put()时,再创建长度为16的数组
3.数组为Node类型,在jdk7中称为Entry类型
4.形成链表结构时,新添加的key-value对在链表的尾部(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)
5.当数组指定索引位置的链表长度>8时,且map中的数组的长度> 64时,此索引位置
上的所有key-value对使用红黑树进行存储。
6. jdk7底层结构只有:数组+链表。jdk8中底层结构:数组+链表+红黑树。
面试题:
1.谈谈你对HashMap中put/get方法的认识?如果了解再谈谈HashMap的扩容机制?默认大小是多少?什么是负载因子(或填充比)?什么是吞吐临界值(或阈值、threshold)?
- HashMap中put/get方法的认识?
put方法见上
get方法:
先调用Key的Hashcode方法得到哈希值,通过哈希算法得到对应的数组的下标,通过数组下标快速定位到某个位置上,
如果这个位置上什么也没有,则返回null,
如果这个位置上有单向链表,那么会拿着参数k和单项链表中的每个节点的k进行比较(equals()),
如果所有的节点都返回false,那么最终该方法返回null,
如果有一个节点的k和我们的k相匹配,那么该k节点所对应的value就是我们要找的value。
- HashMap的扩容机制?默认大小是多少?
扩容机制见上, HashMap的默认容量为16 - 什么是负载因子(或填充比)?什么是吞吐临界值(或阈值、threshold)?
负载因子:loadFactor 的默认值(DEFAULT_LOAD_FACTOR)为0.75
吞吐临界值:threshold:扩容的临界值,=容量*负载因子
2.负载因子值的大小,对HashMap有什么影响
- 负载因子的大小决定了HashMap的数据密度。
- 负载因子越大密度越大,发生碰撞的几率越高,数组中的链表越容易长,造成查询或插入时的比较次数增多,性能会下降。
- 负载因子越小,就越容易触发扩容,数据密度也越小,意味着发生碰撞的几率越小,数组中的链表也就越短,查询和插入时比较的次数也越小,性能会更高。但是会浪费一定的内容空间。而且经常扩容也会影响性能,建议初始化预设大一点的空间。
- 按照其他语言的参考及研究经验,会考虑将负载因子设置为0.7~0.75,此时平均检索长度接近于常数。
2.Map实现类之二:LinkedHashMap
- LinkedHashMap:保证在遍历map元素时,可以按照添加的顺序实现遍历。
原因:在原有的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。 - LinkedHashMap 是 HashMap 的子类
- 在HashMap存储结构的基础上,使用了一对双向链表来记录添加元素的顺序
- 与LinkedHashSet类似,LinkedHashMap 可以维护 Map 的迭代顺序:迭代顺序与 Key-Value 对的插入顺序一致。
HashMap中的内部类:Node
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash;
final K key;
V value;
Node<K,V> next;
}
LinkedHashMap中的内部类:Entry
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);
}
}
3.Map实现类之三:TreeMap
- TreeMap存储 Key-Value 对时,需要根据 key-value 对进行排序。
- 向TreeMap中添加key-value,要求key必须是由同一个类创建的对象
TreeMap 可以保证所有的 Key-Value 对处于有序状态。 - TreeSet底层使用红黑树结构存储数据
- TreeMap 的 Key 的排序:
自然排序:TreeMap 的所有的 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 ClasssCastException
@Test
public void test1(){
TreeMap map = new TreeMap();
User u1 = new User("Tom",23);
User u2 = new User("Jerry",32);
User u3 = new User("Jack",20);
User u4 = new User("Rose",18);
map.put(u1,98);
map.put(u2,89);
map.put(u3,76);
map.put(u4,100);
Set entrySet = map.entrySet();
Iterator iterator1 = entrySet.iterator();
while (iterator1.hasNext()){
Object obj = iterator1.next();
Map.Entry entry = (Map.Entry) obj;
System.out.println(entry.getKey() + "---->" + entry.getValue());
}
}
注意:关于User类的写法请参照Java中的 集合框架之Collection接口 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。此时不需要 Map 的 Key 实现Comparable 接口
//定制排序
@Test
public void test2(){
TreeMap map = new TreeMap(new Comparator() {
@Override
public int compare(Object o1, Object o2) {
if(o1 instanceof User && o2 instanceof User){
User u1 = (User)o1;
User u2 = (User)o2;
return Integer.compare(u1.getAge(),u2.getAge());
}
throw new RuntimeException("输入的类型不匹配!");
}
});
User u1 = new User("Tom",23);
User u2 = new User("Jerry",32);
User u3 = new User("Jack",20);
User u4 = new User("Rose",18);
map.put(u1,98);
map.put(u2,89);
map.put(u3,76);
map.put(u4,100);
Set entrySet = map.entrySet();
Iterator iterator1 = entrySet.iterator();
while (iterator1.hasNext()){
Object obj = iterator1.next();
Map.Entry entry = (Map.Entry) obj;
System.out.println(entry.getKey() + "---->" + entry.getValue());
}
}
- TreeMap判断两个key相等的标准:两个key通过compareTo()方法或者compare()方法返回0。
4.Map实现类之四:Hashtable
- Hashtable是个古老的 Map 实现类,JDK1.0就提供了。不同于HashMap,Hashtable是线程安全的。
- Hashtable实现原理和HashMap相同,功能相同。底层都使用哈希表结构,查询速度快,很多情况下可以互用。
- 与HashMap不同,Hashtable 不允许使用 null 作为 key 和 value
- 与HashMap一样,Hashtable 也不能保证其中 Key-Value 对的顺序
- Hashtable判断两个key相等、两个value相等的标准,与HashMap一致。
5.Map实现类之五:Properties
- Properties 类是 Hashtable 的子类,该对象用于处理属性文件
- 由于属性文件里的 key、value 都是字符串类型,所以 Properties 里的 key 和 value 都是字符串类型
- 存取数据时,建议使用setProperty(String key,String value)方法和getProperty(String key)方法
二、Collections工具类
- Collections 是一个操作 Set、List 和 Map 等集合的工具类
- Collections 中提供了一系列静态的方法对集合元素进行排序、查询和修改等操作,还提供了对集合对象设置不可变、对集合对象实现同步控制等方法
- Collections常用方法
方法 | 解释 |
排序操作:(均为static方法) | |
reverse(List) | 反转 List 中元素的顺序 |
shuffle(List) | 对 List 集合元素进行随机排序 |
sort(List) | 根据元素的自然顺序对指定 List 集合元素按升序排序 |
sort(List,Comparator) | 根据指定的 Comparator 产生的顺序对 List 集合元素进行排序 |
swap(List,int, int) | 将指定 list 集合中的 i 处元素和 j 处元素进行交换 |
查找、替换 | |
Object max(Collection) | 根据元素的自然顺序,返回给定集合中的最大元素 |
Object max(Collection,Comparator) | 根据 Comparator 指定的顺序,返回给定集合中的最大元素 |
Object min(Collection) | |
Object min(Collection,Comparator) | |
int frequency(Collection,Object) | 返回指定集合中指定元素的出现次数 |
void copy(List dest,List src) | 将src中的内容复制到dest中 |
boolean replaceAll(List list,Object oldVal,Object newVal) | 使用新值替换List 对象的所有旧值 |
- Collections 类中提供了多个 synchronizedXxx() 方法,该方法可使将指定集合包装成线程同步的集合,从而可以解决多线程并发访问集合时的线程安全问题。
Collection 和 Collections的区别?
- Collection是一个集合接口。它提供了对集合对象进行基本操作的通用接口方法。Collection接口在Java类库中有很多具体的实现。Collection接口的意义是为各种具体的集合提供最大化的统一操作方式。
以下接口实现了Collection接口:
map、set、list、vector - Collections是一个包装类。它包含各种有关集合操作的静态多态方法。此类不能实例化,就像一个工具类,服务于Java的Collection框架。是操作Collection、Map的工具类。