Java集合学习--HashMap、LinkedHashMap、TreeMap、HashTable

HashMap：

概述：

基于哈希表实现，可以通过调整初始容量和加载因子进行性能调优。

初始化：

HashMap中有两个因子影响其性能：初始容量和加载因子。这两个参数都可以在创建时通过构造器传入，如果不指定，默认初始容量=16，加载因子=0.75，加载因子会影响rehash操作。最大容量必须是2的幂且小于2的30次方，传入容量过大将被这个值替换。

HashMap的几个重要成员变量：

    //默认初始容量    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16    //最大容量，容量大于该值会被替换    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;    //默认加载因子    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;    //数据存储    static final Entry<?,?>[] EMPTY_TABLE = {};    //数据存储数组，HashMap是采用拉链法实现的，每一个Entry本质上是一个单向链表    transient Entry<K,V>[] table = (Entry<K,V>[]) EMPTY_TABLE;    //Set中元素个数    transient int size;    // HashMap的阈值，用于判断是否需要调整HashMap的容量（threshold = 容量*加载因子）    int threshold;    //加载因子    final float loadFactor;    //HashMap被改变的次数    transient int modCount;    //    static final int ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD_DEFAULT = Integer.MAX_VALUE;

构造方法：

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {        //初始容量        if (initialCapacity < 0)            throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +                                               initialCapacity);        if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)            initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;        //加载因子        if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))            throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +                                               loadFactor);        this.loadFactor = loadFactor;        threshold = initialCapacity;        init();    }

通常，默认加载因子 (.75) 在时间和空间成本上寻求一种折衷。加载因子过高虽然减少了空间开销，但同时也增加了查询成本（在大多数 HashMap 类的操作中，包括 get 和 put 操作，都反映了这一点，可以想想为什么）。在设置初始容量时应该考虑到映射中所需的条目数及其加载因子，以便最大限度地降低 rehash 操作次数。如果初始容量大于最大条目数除以加载因子(实际上就是最大条目数小于初始容量*加载因子)，则不会发生 rehash 操作。 

如果可以预见Map中会存放很多元素，那么就应该在创建Map时人工调整Map的大小，尽量减少Map rehash的次数，而不是让Map自动去调整，当HashMap存放的元素越来越多，到达临界值(阀值)threshold时，就要对Entry数组扩容，HashMap在扩容时，新数组的容量将是原来的2倍，由于容量发生变化，原有的每个元素需要重新计算bucketIndex，再存放到新数组中去，也就是所谓的rehash。HashMap默认初始容量16，加载因子0.75，也就是说最多能放16*0.75=12个元素，当put第13个时，HashMap将发生rehash，rehash的一系列处理比较影响性能。

添加元素：

Map中key不可重复，key对象需要实现equals方法，此外，所有hash类的集合，对象都需要实现hashCode方法，此处Map中key对象也需要实现hashCode方法，value对象则不需要。

HashMap使用拉链法进行数据存储，其维护了一个数据存储数组table，table中存储了一个链表，如下图所示，HashMap中实现了了Map中的put的方法，用于向Map中新添加数据，方法如下：

public V put(K key, V value) {        if (table == EMPTY_TABLE) {            inflateTable(threshold);        }        if (key == null)            return putForNullKey(value);        int hash = hash(key);        int i = indexFor(hash, table.length);        for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {            Object k;            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {                V oldValue = e.value;                e.value = value;                e.recordAccess(this);                return oldValue;            }        }        modCount++;        addEntry(hash, key, value, i);        return null;    }

新增时首先初始化table（inflateTable(threshold)）在计算hash值并确定桶编号，然后检查该桶中是否存在相同的元素，如果不存在，则调用addEntry(hash, key, value, i)方法进行添加操作：

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {        if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {            //容量达到阈值，扩容为两倍            resize(2 * table.length);            hash = (null != key) ? hash(key) : 0;            bucketIndex = indexFor(hash, table.length);        }        createEntry(hash, key, value, bucketIndex);    }

如果Map容量达到阈值，需要扩容，扩容为原来两倍，无法自定义。方法如下：
可以看到，在扩容中会调用transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity))将原table中的数据重新hash后填入newTable，这个过程会对Map性能产生影响。

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];        <span style="color:#ff0000;">//将原来table中的数据rehash之后填入newTable</span>        transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));        table = newTable;        threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);    }

void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {        int newCapacity = newTable.length;        for (Entry<K,V> e : table) {            while(null != e) {                Entry<K,V> next = e.next;                if (rehash) {                    e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);                }                int i = indexFor(e.hash, newCapacity);                e.next = newTable[i];                newTable[i] = e;                e = next;            }        }    }

多线程：

HashMap是非线程安全的，实现了fail-fast机制，在使用迭代器的过程中如果其他线程改变了集合内容，会抛出ConcurrentModificationException，需要捕获并进行处理。

LinkedHashMap：

LinkedHashMap继承了HashMap，覆盖了其中部分方法，实现了保存元素存入的顺序的功能。通过迭代器对集合中元素进行遍历时，会按照存入的顺序取出元素。

LinkedHashMap重写了HashMap的addEntry和createEntry方法（addEntry方法中直接调用了HashMap的addEntry方法，新增了一部分内容，但是该部分内容并没有起作用，因为removeEldestEntry方法返回false）。

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {        super.addEntry(hash, key, value, bucketIndex);        // Remove eldest entry if instructed        Entry<K,V> eldest = header.after;        if (removeEldestEntry(eldest)) {            removeEntryForKey(eldest.key);        }    }

protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K,V> eldest) {        return false;    }

void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {        HashMap.Entry<K,V> old = table[bucketIndex];        Entry<K,V> e = new Entry<>(hash, key, value, old);        table[bucketIndex] = e;        e.addBefore(header);        size++;    }

createEntry方法中，实现了向集合中添加元素，并通过维护双向列表保存了元素的存入顺序。
e.addBefore(header)方法用于维护该双向列表。LinkedHashMap中的私有内部类Entry类继承了HashMap.Entry，并对其进行了扩展，主要是新增了两个成员变量before和after用于保存元素前后性质，此外还新增了几个方法用于双向列表增删数据：

private static class Entry<K,V> extends HashMap.Entry<K,V> {                Entry<K,V> before, after;                ...}

private void addBefore(Entry<K,V> existingEntry) {            after  = existingEntry;            before = existingEntry.before;            before.after = this;            after.before = this;        }private void remove() {            before.after = after;            after.before = before;        }

newEntry对象调用addBefore(existingEntry)的过程如图所示：

LinkedHashMap插入元素时，首先以新元素为单位创建新的Entry对象并放置在相应的桶位置，然后在新对象e上调用addBefore方法e.addBefore(header);，其中header为Map的头元素

新增的步骤如下图所示：

以此实现对原始数据插入的顺序进行保存。

多线程：

LinkedHashMap也是非线程安全的

TreeMap:

概述：

基于红黑树实现，不没有调优选项调优，因为数总是处于平衡状态。红黑树是一种自平衡的二叉树（基本操作：左旋，右旋，着色，具体实现请参考算法导论）。TreeMap实现了排序功能。

接口：

TreeMap实现了NavigableMap接口，而接口NacigableMap是接口SortedMap的子类。

public class TreeMap<K,V>    extends AbstractMap<K,V>    implements NavigableMap<K,V>, Cloneable, java.io.Serializable

初始化：

TreeMap提供了4种初始化方式：

(1)TreeMap():构建一个空的映像树 
(2)TreeMap(Map m): 构建一个映像树，并且添加映像m中所有元素 
(3)TreeMap(Comparator c): 构建一个映像树，并且使用特定的比较器对关键字进行排序 
(4)TreeMap(SortedMap s): 构建一个映像树，添加映像树s中所有映射，并且使用与有序映像s相同的比较器排序 

为了使TreeMap能够对其中的元素进行排序，需要提供比较器Comparator。如果没有提供Comparator，默认将按照key值进行升序排序。

TreeMap的核心在于红黑树的算法实现。因为底层是用链表实现，所以不存在扩容问题，与HashMap不同。

HashTable：

HashMap的同步版本，在各方法上加上了同步修饰词。（包括get方法）

HashTable中存储的键值对的key、value都不能为null，而HashMap无此限制。

HashTable的默认初始容量是11，HashMap是16。默认加载因子都是0.75。

HashTable比HashMap多了一个hashSeed，在初始化HashTable时会初始化hashSeed，这个hashSeed是一个与实例相关的随机值，主要用于解决hash冲突（引用自：http://blog.csdn.net/chenssy/article/details/22896871 ，不了解具体原理，有谁清楚的话能否告知？谢谢）

EnumMap：

枚举类型作为键值的Map。因为键的数量相对固定，所以在内部用一个数组储存对应值。通常来说，效率要高于HashMap。

IdentityHashMap：

这是一个特殊的Map版本，它违背了一般Map的规则：它使用 “==” 来比较引用而不是调用Object.equals来判断相等。这个特性使得此集合在遍历图表的算法中非常实用——可以方便地在IdentityHashMap中存储处理过的节点以及相关的数据。

WeakHashMap：

这种Map通常用在数据缓存中。它将键存储在WeakReference中，就是说，如果没有强引用指向键对象的话，这些键就可以被垃圾回收线程回收。值被保存在强引用中。因此，你要确保没有引用从值指向键或者将值也保存在弱引用中m.put(key, new WeakReference(value))。