Map类结构

Java的集合类主要由两个接口派生出来，Collection和Map，上一节我们讨论过Collection接口结构，如今来看下Map接口。

HashMap	一种存储键/值关联的数据结构
Hashtable	一种用synchronized包裹其内部方法的映射表。保证线程安全
TreeMap	一种有序排列的映射表
EnumMap	一种属于枚举类型的映射表，枚举类型元素集的高效实现，採用位序列实现
LinkedHashMap	一种能够记住键/值加入顺序的映射表
WeakHashMap	一种其值无用武之地能够被垃圾回收器回收的映射表
IdentityHashMap	一种用==而不是equals比較键值的映射表

HashMap

HashMap中get和put操作平均是常数时间，元素能平均的映射到每个桶中。遍历映射表的性能和其容量成正相关。若须要保证遍历的高性能，映射表的初始大小不能太大以及装填因子不能设置太小。

HashMap有两个因素影响其性能：初始容量和装填因子，容量指的是映射表中桶的数量，装填因子用于衡量映射表装满的程度。当映射表中元素数量超过装填因子和当前容量的乘积时，映射表将会加倍其容量，并对元素进化重hash操作。

默认装填因子是0.75。能在时间和空间上保持一个较好的平衡。

若有大量元素须要增加HashMap，初始化一个足够大的映射表来容纳这些元素，其性能比让HashMap自己主动扩容和重哈希效率要高。

HashMap的实现是非synchronized。其相应同步版本号是Hashtable，多线程环境下须要保证映射表没有产生并发的结构改动(包含加入和删除元素)。若须要并发改动容器结构。须要保证同步改动散列表的结构，或者能够採用Collections.synchronizedMap(new HashMap(...))。

HashMap的实现

类定义

public class HashMap
     
          extends AbstractMap
      
           implements Map
       
        , Cloneable, Serializable
       
      
     

成员

HashMap实际是一个数组，数组中每一个元素都是一个链表。

static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f; //默认装填因子/** * The table, resized as necessary. Length MUST Always be a power of two. */transient Entry[] table;transient int size;/** * The next size value at which to resize (capacity * load factor). */int threshold;final float loadFactor;

• 哈希表table，注意其长度必须是2的幂，这和採用hash算法有关系。

  一般採用取模运算index = hash_code % size保证元素在合理范围，可是取模运算效率不高。JDK採用了更快的算法，这个更快的算法源于一个数学规律，size是2的N次方，那么数X对size的模运算结果等价于X和size-1的按位与运算。也就是 X % size <=> X & (size -1)。

• threshold阈值等于capacity * load factor，超过阈值时须要加倍扩容并重哈希，注意loadFactor声明为final设置以后不能改动。

内部类Entry实际是一个链表，定义例如以下。

static class Entry
     
       implements Map.Entry
      
        {
         final K key;    V value;    Entry
       
         next;    final int hash;}
       
      
     

方法

构造方法，能够看到数组的大小保证为2的幂且不小于initialCapacity

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
         if (initialCapacity < 0)        throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +                                           initialCapacity);    if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)        initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;    if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))        throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +                                           loadFactor);    // Find a power of 2 >= initialCapacity    int capacity = 1;    while (capacity < initialCapacity) //保证capacity为2的幂。且不小于initialCapacity        capacity <<= 1;    this.loadFactor = loadFactor;    threshold = (int)(capacity * loadFactor);    table = new Entry[capacity];    init(); //empty function}

put方法。JDK中没有直接用key的hash code而是再对其进行一次hash计算保证值尽可能分散，通过取模运算找到table中相应的位置，并加入该位置的链表头部。若存在同样元素(hash code相等、equals为true)，则直接替换原来值。

public V put(K key, V value) {
         if (key == null)        return putForNullKey(value); //key为null元素放在table[0]位置    int hash = hash(key.hashCode()); //对key的hash code再进行hash计算    int i = indexFor(hash, table.length); //找到table中应当加入的位置[0,length)    for (Entry
     
       e = table[i]; e != null; e = e.next) {
             Object k;        if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
     //替换同样元素            V oldValue = e.value;            e.value = value;            e.recordAccess(this);            return oldValue;        }    }    modCount++;    addEntry(hash, key, value, i); //都是加入加在头部    return null;}static int indexFor(int h, int length) {
         return h & (length-1); //高效的hash取代h % length}void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
         Entry
      
        e = table[bucketIndex];    table[bucketIndex] = new Entry
       
        (hash, key, value, e);    if (size++ >= threshold)        resize(2 * table.length);}
       
      
     

加入元素后size++。并推断是否须要扩容，每次扩容都是原来大小的两倍(扩容后大小相同也是2的幂)。扩容以后元素转移到新的table中。table中每一个链表元素实际被逆置了。

void resize(int newCapacity) {
         Entry[] oldTable = table;    int oldCapacity = oldTable.length;    if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
             threshold = Integer.MAX_VALUE;        return;    }    Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];    transfer(newTable);    table = newTable;    threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);}/** * Transfers all entries from current table to newTable. */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总是加在头部                e = next;            } while (e != null);        }    }}
      
     

get方法，事实上put方法中也有get的逻辑，先通过hash找到在table中位置，然后再在链表中查找。

public V get(Object key) {
         if (key == null)        return getForNullKey();    int hash = hash(key.hashCode());    for (Entry
     
       e = table[indexFor(hash, table.length)];         e != null; e = e.next) {
             Object k;        if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))            return e.value;    }    return null;}
     

remove方法，也是先通过hash找到table中位置。然后在链表中删除对应元素。

public V remove(Object key) {
         Entry
     
       e = removeEntryForKey(key);    return (e == null ? null : e.value);}final Entry
      
        removeEntryForKey(Object key) {
         int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());    int i = indexFor(hash, table.length);    Entry
       
         prev = table[i];     Entry
        
          e = prev;    while (e != null) {
             Entry
         
           next = e.next;        Object k;        if (e.hash == hash &&            ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
                 modCount++;            size--;            if (prev == e) //删除链表头                table[i] = next;            else                prev.next = next;            e.recordRemoval(this);            return e;        }        prev = e;        e = next;    }    return e;}
         
        
       
      
     

HashMap的视图

集合框架并没有把散列表当作一个集合。Map本身是一个顶层接口。只是提供了3个集合类视图：键集合、值集合、键值对集合。分别相应keySet()、values()、entrySet()三个方法的返回值。

在抽象父类AbstractMap中定义了键集和值集的引用。因为这些视图是无状态的。不是必需每次都又一次创建。

ketSet方法返回一个内部类HashMap$KeySet实例。其本身并没有不论什么成员和数据结构。都是直接引用外部类的属性和方法来完毕相关操作(因此是stateless)。

transient volatile Set
     
              keySet = null;transient volatile Collection
      
        values = null; //define in AbstractMapprivate transient Set
       
        
         > entrySet = null; //define in HashMappublic Set
         
           keySet() {
         Set
          
            ks = keySet; return (ks != null ?
          
         
        
       
      
     

ks : (keySet = new KeySet())); } private final class KeySet extends AbstractSet<K> {

public Iterator<K> iterator() {

return newKeyIterator(); } public int size() {

return size; } public boolean contains(Object o) {

return containsKey(o); } public boolean remove(Object o) {

return HashMap.this.removeEntryForKey(o) != null; } public void clear() {

HashMap.this.clear(); } }

KeySet的迭代器返回内部类KeyIterator实例，其继承自HashIterator,实际HashIterator实现了整个Entry的迭代，首先找到table中第一个不为空的元素。遍历下一个元素的时候，先推断当前位置所在链表有没有后继节点。有的话往后遍历。否则继续到table中找下一个非空元素。

实际三个视图的迭代器都是其子类，仅仅是next返回值不同，可能是key、value或entry。

Iterator
     
       newKeyIterator()   {
         return new KeyIterator();}private final class KeyIterator extends HashIterator
      
        {
         public K next() {
             return nextEntry().getKey();    }}private final class ValueIterator extends HashIterator
       
         {
         public V next() {
             return nextEntry().value;    }}private final class EntryIterator extends HashIterator
        
         
          > {
         public Map.Entry
          
            next() { return nextEntry(); }}private abstract class HashIterator
           
             implements Iterator
            
              { Entry
             
               next; // next entry to return int expectedModCount; // For fast-fail int index; // current slot Entry
              
                current; // current entry HashIterator() { expectedModCount = modCount; if (size > 0) { // advance to first entry Entry[] t = table; while (index < t.length && (next = t[index++]) == null) ; } } public final boolean hasNext() { return next != null; } final Entry
               
                 nextEntry() { if (modCount != expectedModCount) throw new ConcurrentModificationException(); Entry
                
                  e = next; if (e == null) throw new NoSuchElementException(); if ((next = e.next) == null) { //table[index]链表下一个为空 Entry[] t = table; while (index < t.length && (next = t[index++]) == null) //table中循环找下一个不为空 ; } current = e; return e; }}
                
               
              
             
            
           
          
         
        
       
      
     

两位两个视图值集合values()和键值对集合entrySet()不一一介绍，注意一点值集合是Collectiont<V>对象。键值对集合是Set<Map.Entry<K,V>>对象。

private final class Values extends AbstractCollection
     
       {
              ... }private final class EntrySet extends AbstractSet
      
       
        > {
             ... }
       
      
     

总结

1. HashMap本身是一个有数组和链表组成的数据结构，其插入和查找元素的消耗能够看成O(1)。默认散列表内部数组大小保证为2的幂次，因为内部採用了位运算取代了传统取模运算来确定元素插入位置。
2. HashMap性能由散列表的容量和装填因子两部分决定，当中装填因子默认是0.75。容量默认是16。
3. Map是独立接口，并不是Collection子接口。可是提供三个集合类视图：键集合、值集合、键值对集合。分别相应keySet()、values()、entrySet()三个方法的返回值，这三个集合视图是无状态的，本身依赖Map实例本身。遍历元素能够依据须要採用集合类相应的迭代器进行迭代。迭代支持fail-fast。