java中的Map接口实现类TreeMap、HashMap、WeakHashMap、HashTable的实例讲解 - JAVA编程语言程序开发技术文章 - 全峰安全联盟

资讯安全论坛下载读书程序开发数据库系统网络电子书微信学院站长学院 QQ 考试

频道栏目

SQL Server| MySQL| Oracle| DB2| Sybase| 其他综合| SQL教程|

首页 > 程序开发 > 软件开发 > Java > 正文

java中的Map接口实现类TreeMap、HashMap、WeakHashMap、HashTable的实例讲解

2019-08-24 15:24:39 来源：调皮的写代码

收藏我要投稿

一、Map的简介

二、HashMap源码解读

1）HashMap的特点

HashMap是基于哈希表实现的，每一个元素是一个key-value对，其内部通过单链表解决冲突问题，容量不足（超过了阀值）时，同样会自动增长；

HashMap是非线程安全的，只是用于单线程环境下，多线程环境下可以采用concurrent并发包下的concurrentHashMap；

HashMap实现了Serializable接口，因此它支持序列化；

实现了Cloneable接口，能被克隆。

2）HashMap的源码讲解（jdk1.7）参考附属文件的代码，原文中有注解，下载

3）HashMap的总结

首先要清楚HashMap的存储结构，如下图所示：

图中，紫色部分即代表哈希表，也称为哈希数组，数组的每个元素都是一个单链表的头节点，链表是用来解决冲突的，如果不同的key映射到了数组的同一位置处，就将其放入单链表中。

首先看链表中节点的数据结构：

// Entry是单向链表。  
 // 它是 “HashMap链式存储法”对应的链表。  
 // 它实现了Map.Entry 接口，即实现getKey(), getValue(), setValue(V value), equals(Object o), hashCode()这些函数  
 static class Entry implements Map.Entry {  
  final K key;  
  V value;  
  // 指向下一个节点  
  Entry next;  
  final int hash;  
 
  // 构造函数。  
  // 输入参数包括"哈希值(h)", "键(k)", "值(v)", "下一节点(n)"  
  Entry(int h, K k, V v, Entry n) {  
value = v;  
next = n;  
key = k;  
hash = h;  
  }  
 
  public final K getKey() {  
return key;  
  }  
 
  public final V getValue() {  
return value;  
  }  
 
  public final V setValue(V newValue) {  
V oldValue = value;  
value = newValue;  
return oldValue;  
  }  
 
  // 判断两个Entry是否相等  
  // 若两个Entry的“key”和“value”都相等，则返回true。  
  // 否则，返回false  
  public final boolean equals(Object o) {  
if (!(o instanceof Map.Entry))  
 return false;  
Map.Entry e = (Map.Entry)o;  
Object k1 = getKey();  
Object k2 = e.getKey();  
if (k1 == k2 || (k1 != null && k1.equals(k2))) {  
 Object v1 = getValue();  
 Object v2 = e.getValue();  
 if (v1 == v2 || (v1 != null && v1.equals(v2)))  
  return true;  
}  
return false;  
  }  
 
  // 实现hashCode()  
  public final int hashCode() {  
return (key==null 0 : key.hashCode()) ^  
 (value==null  0 : value.hashCode());  
  }  
 
  public final String toString() {  
return getKey() + "=" + getValue();  
  }  
 
  // 当向HashMap中添加元素时，绘调用recordAccess()。  
  // 这里不做任何处理  
  void recordAccess(HashMap m) {  
  }  
 
  // 当从HashMap中删除元素时，绘调用recordRemoval()。  
  // 这里不做任何处理  
  void recordRemoval(HashMap m) {  
  }  
 }

它的结构元素除了key、value、hash外，还有next，next指向下一个节点。另外，这里覆写了equals和hashCode方法来保证键值对的独一无二。

HashMap共有四个构造方法。构造方法中提到了两个很重要的参数：初始容量和加载因子。这两个参数是影响HashMap性能的重要参数，其中容量表示哈希表中槽的数量（即哈希数组的长度），初始容量是创建哈希表时的容量（从构造函数中可以看出，如果不指明，则默认为16），加载因子是哈希表在其容量自动增加之前可以达到多满的一种尺度，当哈希表中的条目数超出了加载因子与当前容量的乘积时，则要对该哈希表进行 resize 操作（即扩容）。

下面说下加载因子，如果加载因子越大，对空间的利用更充分，但是查找效率会降低（链表长度会越来越长）；如果加载因子太小，那么表中的数据将过于稀疏（很多空间还没用，就开始扩容了），对空间造成严重浪费。如果我们在构造方法中不指定，则系统默认加载因子为0.75，这是一个比较理想的值，一般情况下我们是无需修改的。

另外，无论我们指定的容量为多少，构造方法都会将实际容量设为不小于指定容量的2的次方的一个数，且最大值不能超过2的30次方

HashMap中key和value都允许为null。

要重点分析下HashMap中用的最多的两个方法put和get。先从比较简单的get方法着手，源码如下：

  // 获取key对应的value  
 public V get(Object key) {  
  if (key == null)  
return getForNullKey();  
  // 获取key的hash值  
  int hash = hash(key.hashCode());  
  // 在“该hash值对应的链表”上查找“键值等于key”的元素  
  for (Entry e = table[indexFor(hash, table.length)];  
 e != null;  
 e = e.next) {  
Object k;  
			//判断key是否相同
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))  
 return e.value;  
  }
		//没找到则返回null
  return null;  
 }  
 
 // 获取“key为null”的元素的值  
 // HashMap将“key为null”的元素存储在table[0]位置，但不一定是该链表的第一个位置！  
 private V getForNullKey() {  
  for (Entry e = table[0]; e != null; e = e.next) {  
if (e.key == null)  
 return e.value;  
  }  
  return null;  
 }

首先，如果key为null，则直接从哈希表的第一个位置table[0]对应的链表上查找。记住，key为null的键值对永远都放在以table[0]为头结点的链表中，当然不一定是存放在头结点table[0]中。

如果key不为null，则先求的key的hash值，根据hash值找到在table中的索引，在该索引对应的单链表中查找是否有键值对的key与目标key相等，有就返回对应的value，没有则返回null。

put方法稍微复杂些，代码如下：

// 将“key-value”添加到HashMap中  
 public V put(K key, V value) {  
  // 若“key为null”，则将该键值对添加到table[0]中。  
  if (key == null)  
return putForNullKey(value);  
  // 若“key不为null”，则计算该key的哈希值，然后将其添加到该哈希值对应的链表中。  
  int hash = hash(key.hashCode());  
  int i = indexFor(hash, table.length);  
  for (Entry e = table[i]; e != null; e = e.next) {  
Object k;  
// 若“该key”对应的键值对已经存在，则用新的value取代旧的value。然后退出！  
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {  
 V oldValue = e.value;  
 e.value = value;  
 e.recordAccess(this);  
 return oldValue;  
}  
  }  
 
  // 若“该key”对应的键值对不存在，则将“key-value”添加到table中  
  modCount++;
		//将key-value添加到table[i]处
  addEntry(hash, key, value, i);  
  return null;  
 }

如果key为null，则将其添加到table[0]对应的链表中，putForNullKey的源码如下：

// putForNullKey()的作用是将“key为null”键值对添加到table[0]位置  
 private V putForNullKey(V value) {  
  for (Entry e = table[0]; e != null; e = e.next) {  
if (e.key == null) {  
 V oldValue = e.value;  
 e.value = value;  
 e.recordAccess(this);  
 return oldValue;  
}  
  }  
  // 如果没有存在key为null的键值对，则直接题阿见到table[0]处!  
  modCount++;  
  addEntry(0, null, value, 0);  
  return null;  
 }

如果key不为null，则同样先求出key的hash值，根据hash值得出在table中的索引，而后遍历对应的单链表，如果单链表中存在与目标key相等的键值对，则将新的value覆盖旧的value，比将旧的value返回，如果找不到与目标key相等的键值对，或者该单链表为空，则将该键值对插入到改单链表的头结点位置（每次新插入的节点都是放在头结点的位置），该操作是有addEntry方法实现的，它的源码如下：

// 新增Entry。将“key-value”插入指定位置，bucketIndex是位置索引。  
 void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {  
  // 保存“bucketIndex”位置的值到“e”中  
  Entry e = table[bucketIndex];  
  // 设置“bucketIndex”位置的元素为“新Entry”，  
  // 设置“e”为“新Entry的下一个节点”  
  table[bucketIndex] = new Entry(hash, key, value, e);  
  // 若HashMap的实际大小 不小于 “阈值”，则调整HashMap的大小  
  if (size++ >= threshold)  
resize(2 * table.length);  
 }

注意这里倒数第三行的构造方法，将key-value键值对赋给table[bucketIndex]，并将其next指向元素e，这便将key-value放到了头结点中，并将之前的头结点接在了它的后面。该方法也说明，每次put键值对的时候，总是将新的该键值对放在table[bucketIndex]处（即头结点处）。

两外注意最后两行代码，每次加入键值对时，都要判断当前已用的槽的数目是否大于等于阀值（容量*加载因子），如果大于等于，则进行扩容，将容量扩为原来容量的2倍。

6、关于扩容。上面我们看到了扩容的方法，resize方法，它的源码如下：

 // 重新调整HashMap的大小，newCapacity是调整后的单位  
 void resize(int newCapacity) {  
  Entry[] oldTable = table;  
  int oldCapacity = oldTable.length;  
  if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {  
threshold = Integer.MAX_VALUE;  
return;  
  }  
 
  // 新建一个HashMap，将“旧HashMap”的全部元素添加到“新HashMap”中，  
  // 然后，将“新HashMap”赋值给“旧HashMap”。  
  Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];  
  transfer(newTable);  
  table = newTable;  
  threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);  
 }

很明显，是新建了一个HashMap的底层数组，而后调用transfer方法，将就HashMap的全部元素添加到新的HashMap中（要重新计算元素在新的数组中的索引位置）。transfer方法的源码如下：

// 将HashMap中的全部元素都添加到newTable中  
 void transfer(Entry[] newTable) {  
  Entry[] src = table;  
  int newCapacity = newTable.length;  
  for (int j = 0; j < src.length; j++) {  
Entry e = src[j];  
if (e != null) {  
 src[j] = null;  
 do {  
  Entry next = e.next;  
  int i = indexFor(e.hash, newCapacity);  
  e.next = newTable[i];  
  newTable[i] = e;  
  e = next;  
 } while (e != null);  
}  
  }  
 }

很明显，扩容是一个相当耗时的操作，因为它需要重新计算这些元素在新的数组中的位置并进行复制处理。因此，我们在用HashMap的时，最好能提前预估下HashMap中元素的个数，这样有助于提高HashMap的性能。

7、注意containsKey方法和containsValue方法。前者直接可以通过key的哈希值将搜索范围定位到指定索引对应的链表，而后者要对哈希数组的每个链表进行搜索。

8、我们重点来分析下求hash值和索引值的方法，这两个方法便是HashMap设计的最为核心的部分，二者结合能保证哈希表中的元素尽可能均匀地散列。

计算哈希值的方法如下：

static int hash(int h) {
  h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
  return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
 }

它只是一个数学公式，IDK这样设计对hash值的计算，自然有它的好处，至于为什么这样设计，我们这里不去追究，只要明白一点，用的位的操作使hash值的计算效率很高。

由hash值找到对应索引的方法如下：

static int indexFor(int h, int length) {
  return h & (length-1);
 }

这个我们要重点说下，我们一般对哈希表的散列很自然地会想到用hash值对length取模（即除法散列法），Hashtable中也是这样实现的，这种方法基本能保证元素在哈希表中散列的比较均匀，但取�；嵊玫匠ㄔ怂�，效率很低，HashMap中则通过h&(length-1)的方法来代替取模，同样实现了均匀的散列，但效率要高很多，这也是HashMap对Hashtable的一个改进。

接下来，我们分析下为什么哈希表的容量一定要是2的整数次幂。首先，length为2的整数次幂的话，h&(length-1)就相当于对length取模，这样便保证了散列的均匀，同时也提升了效率；其次，length为2的整数次幂的话，为偶数，这样length-1为奇数，奇数的最后一位是1，这样便保证了h&(length-1)的最后一位可能为0，也可能为1（这取决于h的值），即与后的结果可能为偶数，也可能为奇数，这样便可以保证散列的均匀性，而如果length为奇数的话，很明显length-1为偶数，它的最后一位是0，这样h&(length-1)的最后一位肯定为0，即只能为偶数，这样任何hash值都只会被散列到数组的偶数下标位置上，这便浪费了近一半的空间，因此，length取2的整数次幂，是为了使不同hash值发生碰撞的概率较小，这样就能使元素在哈希表中均匀地散列。

三、TreeMap源码解读

1）TreeMap的特点

2）TreeMap的源码讲解（jdk1.7）参考附属文件的代码，原文中有注解，下载

3）TreeMap的总结

四、WeakHashMap源码解读

1）WeakHashMap的特点

2）WeakHashMap的源码讲解（jdk1.7）参考附属文件的代码，原文中有注解，下载

3）WeakHashMap的总结

五、HashTable源码解读

1）HashTable的特点

Hashtable同样是基于哈希表实现的，同样每个元素是一个key-value对，其内部也是通过单链表解决冲突问题，容量不足（超过了阀值）时，同样会自动增长。

Hashtable也是JDK1.0引入的类，是线程安全的，能用于多线程环境中。

Hashtable同样实现了Serializable接口，它支持序列化，实现了Cloneable接口，能被克隆。

2）HashTable的源码讲解（jdk1.7）参考附属文件的代码，原文中有注解，下载

3）HashTable的总结

针对Hashtable，我们同样给出几点比较重要的总结，但要结合与HashMap的比较来总结。

1、二者的存储结构和解决冲突的方法都是相同的。

2、HashTable在不指定容量的情况下的默认容量为11，而HashMap为16，Hashtable不要求底层数组的容量一定要为2的整数次幂，而HashMap则要求一定为2的整数次幂。

3、Hashtable中key和value都不允许为null，而HashMap中key和value都允许为null（key只能有一个为null，而value则可以有多个为null）。但是如果在Hashtable中有类似put(null,null)的操作，编译同样可以通过，因为key和value都是Object类型，但运行时会抛出NullPointerException异常，这是JDK的规范规定的。我们来看下ContainsKey方法和ContainsValue的源码：

// 判断Hashtable是否包含“值(value)”  
 public synchronized boolean contains(Object value) {  
  //注意，Hashtable中的value不能是null，  
  // 若是null的话，抛出异常!  
  if (value == null) {  
throw new NullPointerException();  
  }  
 
  // 从后向前遍历table数组中的元素(Entry)  
  // 对于每个Entry(单向链表)，逐个遍历，判断节点的值是否等于value  
  Entry tab[] = table;  
  for (int i = tab.length ; i-- > 0 ;) {  
for (Entry e = tab[i] ; e != null ; e = e.next) {  
 if (e.value.equals(value)) {  
  return true;  
 }  
}  
  }  
  return false;  
 }  
 
 public boolean containsValue(Object value) {  
  return contains(value);  
 }  
 
 // 判断Hashtable是否包含key  
 public synchronized boolean containsKey(Object key) {  
  Entry tab[] = table;  
		//计算hash值，直接用key的hashCode代替
  int hash = key.hashCode(); 
  // 计算在数组中的索引值 
  int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;  
  // 找到“key对应的Entry(链表)”，然后在链表中找出“哈希值”和“键值”与key都相等的元素  
  for (Entry e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) {  
if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {  
 return true;  
}  
  }  
  return false;  
 }

很明显，如果value为null，会直接抛出NullPointerException异常，但源码中并没有对key是否为null判断，有点小不解！不过NullPointerException属于RuntimeException异常，是可以由JVM自动抛出的，也许对key的值在JVM中有所限制吧。

4、Hashtable扩容时，将容量变为原来的2倍加1，而HashMap扩容时，将容量变为原来的2倍。

5、Hashtable计算hash值，直接用key的hashCode()，而HashMap重新计算了key的hash值，Hashtable在求hash值对应的位置索引时，用取模运算，而HashMap在求位置索引时，则用与运算，且这里一般先用hash&0x7FFFFFFF后，再对length取模，&0x7FFFFFFF的目的是为了将负的hash值转化为正值，因为hash值有可能为负数，而&0x7FFFFFFF后，只有符号外改变，而后面的位都不变。

点击复制链接与好友分享!回本站首页

相关TAG标签 java Map接口实现类 TreeMap HashMap

上一篇：java开发学习之Jetty的工作原理讲解

下一篇：Java关于标识符与关键字的知识总结

相关文章

热门专题推荐 python div+css css教程 html5 html教程 jquery Android SDK php mysql oracle

图文推荐

文章

推荐

· bzoj 1018 堵塞的交通traffic

· hdu 1085 Holding Bin-Laden Capt

· 45. Jump Game II Leetcode Python

· C. DNA Alignment 数学公式推导

· LeetCode --- Rotate Image

· LeetCode --- Permutations II

· 1027. Colors in Mars

· [Leetcode]Single Number

· win7激活工具

· win10激活工具

· win7激活工具旗舰版

· office2010激活密钥

· windows7激活密钥

· office2010激活工具

· 小马激活工具

· win10激活工具

点击排行

关于我们 | 联系我们 | 广告服务 | 投资合作 | 版权申明 | 在线帮助 | 网站地图 | 作品发布 | Vip技术培训 | 举报中心

版权所有: 全峰安全联盟--致力于做实用的IT技术学习网站