Java提高篇（三三）-----Map总结

在前面LZ详细介绍了HashMap、HashTable、TreeMap的实现方法，从数据结构、实现原理、源码分析三个方面进行阐述，对这个三个类应该有了比较清晰的了解,下面LZ就Map做一个简单的总结。

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一、Map概述

        首先先看Map的结构示意图

       Map：“键值”对映射的抽象接口。该映射不包括重复的键，一个键对应一个值。

       SortedMap：有序的键值对接口，继承Map接口。

       NavigableMap：继承SortedMap，具有了针对给定搜索目标返回最接近匹配项的导航方法的接口。

       AbstractMap：实现了Map中的绝大部分函数接口。它减少了“Map的实现类”的重复编码。

       Dictionary：任何可将键映射到相应值的类的抽象父类。目前被Map接口取代。

       TreeMap：有序散列表，实现SortedMap 接口，底层通过红黑树实现。

       HashMap：是基于“拉链法”实现的散列表。底层采用“数组+链表”实现。

       WeakHashMap：基于“拉链法”实现的散列表。

       HashTable：基于“拉链法”实现的散列表。

        总结如下：

        他们之间的区别：

二、内部哈希： 哈希映射技术

        几乎所有通用Map都使用哈希映射技术。对于我们程序员来说我们必须要对其有所了解。

        哈希映射技术是一种就元素映射到数组的非常简单的技术。由于哈希映射采用的是数组结果，那么必然存在一中用于确定任意键访问数组的索引机制，该机制能够提供一个小于数组大小的整数，我们将该机制称之为哈希函数。在Java中我们不必为寻找这样的整数而大伤脑筋，因为每个对象都必定存在一个返回整数值的hashCode方法，而我们需要做的就是将其转换为整数，然后再将该值除以数组大小取余即可。如下：

[java] view plaincopyprint?

1. int hashValue = Maths.abs(obj.hashCode()) % size;  

下面是HashMap、HashTable的：

[java] view plaincopyprint?

1. ----------HashMap------------  
2. //计算hash值  
3. static int hash(int h) {  
4.     h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);  
5.     return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);  
6. }  
7. //计算key的索引位置  
8. static int indexFor(int h, int length) {  
9.         return h & (length-1);  
10. }  
11. -----HashTable--------------  
12. int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;     //确认该key的索引位置  

 位置的索引就代表了该节点在数组中的位置。下图是哈希映射的基本原理图：

         在该图中1-4步骤是找到该元素在数组中位置，5-8步骤是将该元素插入数组中。在插入的过程中会遇到一点点小挫折。在众多肯能存在多个元素他们的hash值是一样的，这样就会得到相同的索引位置，也就说多个元素会映射到相同的位置，这个过程我们称之为“冲突”。解决冲突的办法就是在索引位置处插入一个链接列表，并简单地将元素添加到此链接列表。当然也不是简单的插入，在HashMap中的处理过程如下：获取索引位置的链表，如果该链表为null，则将该元素直接插入，否则通过比较是否存在与该key相同的key，若存在则覆盖原来key的value并返回旧值，否则将该元素保存在链头（最先保存的元素放在链尾）。下面是HashMap的put方法，该方法详细展示了计算索引位置，将元素插入到适当的位置的全部过程：

[java] view plaincopyprint?

1. public V put(K key, V value) {  
2.         //当key为null，调用putForNullKey方法，保存null与table第一个位置中，这是HashMap允许为null的原因  
3.         if (key == null)  
4.             return putForNullKey(value);  
5.         //计算key的hash值  
6.         int hash = hash(key.hashCode());                   
7.         //计算key hash 值在 table 数组中的位置  
8.         int i = indexFor(hash, table.length);              
9.         //从i出开始迭代 e,判断是否存在相同的key  
10.         for (Entry<K, V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {  
11.             Object k;  
12.             //判断该条链上是否有hash值相同的(key相同)  
13.             //若存在相同，则直接覆盖value，返回旧value  
14.             if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {  
15.                 V oldValue = e.value;    //旧值 = 新值  
16.                 e.value = value;  
17.                 e.recordAccess(this);  
18.                 return oldValue;     //返回旧值  
19.             }  
20.         }  
21.         //修改次数增加1  
22.         modCount++;  
23.         //将key、value添加至i位置处  
24.         addEntry(hash, key, value, i);  
25.         return null;  
26.     }  

         HashMap的put方法展示了哈希映射的基本思想，其实如果我们查看其它的Map，发现其原理都差不多！

三、Map优化

         首先我们这样假设，假设哈希映射的内部数组的大小只有1，所有的元素都将映射该位置（0），从而构成一条较长的链表。由于我们更新、访问都要对这条链表进行线性搜索，这样势必会降低效率。我们假设，如果存在一个非常大数组，每个位置链表处都只有一个元素，在进行访问时计算其 index 值就会获得该对象，这样做虽然会提高我们搜索的效率，但是它浪费了控件。诚然，虽然这两种方式都是极端的，但是它给我们提供了一种优化思路：使用一个较大的数组让元素能够均匀分布。在Map有两个会影响到其效率，一是容器的初始化大小、二是负载因子。

3.1、调整实现大小

         在哈希映射表中，内部数组中的每个位置称作“存储桶”(bucket)，而可用的存储桶数（即内部数组的大小）称作容量 (capacity)，我们为了使Map对象能够有效地处理任意数的元素，将Map设计成可以调整自身的大小。我们知道当Map中的元素达到一定量的时候就会调整容器自身的大小，但是这个调整大小的过程其开销是非常大的。调整大小需要将原来所有的元素插入到新数组中。我们知道index = hash(key) % length。这样可能会导致原先冲突的键不在冲突，不冲突的键现在冲突的，重新计算、调整、插入的过程开销是非常大的，效率也比较低下。所以，如果我们开始知道Map的预期大小值，将Map调整的足够大，则可以大大减少甚至不需要重新调整大小，这很有可能会提高速度。下面是HashMap调整容器大小的过程，通过下面的代码我们可以看到其扩容过程的复杂性：

[java] view plaincopyprint?

1. void resize(int newCapacity) {  
2.             Entry[] oldTable = table;    //原始容器  
3.             int oldCapacity = oldTable.length;    //原始容器大小  
4.             if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {     //是否超过最大值：1073741824  
5.                 threshold = Integer.MAX_VALUE;  
6.                 return;  
7.             }  
8.   
9.             //新的数组：大小为 oldCapacity * 2  
10.             Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];      
11.             transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));  
12.             table = newTable;  
13.            /* 
14.             * 重新计算阀值 =  newCapacity * loadFactor >  MAXIMUM_CAPACITY + 1 ?  
15.             *                         newCapacity * loadFactor :MAXIMUM_CAPACITY + 1 
16.             */  
17.             threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);     
18.         }  
19.           
20.         //将元素插入到新数组中  
21.         void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {  
22.             int newCapacity = newTable.length;  
23.             for (Entry<K,V> e : table) {  
24.                 while(null != e) {  
25.                     Entry<K,V> next = e.next;  
26.                     if (rehash) {  
27.                         e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);  
28.                     }  
29.                     int i = indexFor(e.hash, newCapacity);  
30.                     e.next = newTable[i];  
31.                     newTable[i] = e;  
32.                     e = next;  
33.                 }  
34.             }  
35.         }  

3.2、负载因子

         为了确认何时需要调整Map容器，Map使用了一个额外的参数并且粗略计算存储容器的密度。在Map调整大小之前，使用”负载因子”来指示Map将会承担的“负载量”，也就是它的负载程度，当容器中元素的数量达到了这个“负载量”，则Map将会进行扩容操作。负载因子、容量、Map大小之间的关系如下：负载因子 * 容量 > map大小  ----->调整Map大小。

         例如：如果负载因子大小为0.75（HashMap的默认值），默认容量为11，则 11 * 0.75 = 8.25 = 8，所以当我们容器中插入第八个元素的时候，Map就会调整大小。

        负载因子本身就是在控件和时间之间的折衷。当我使用较小的负载因子时，虽然降低了冲突的可能性，使得单个链表的长度减小了，加快了访问和更新的速度，但是它占用了更多的控件，使得数组中的大部分控件没有得到利用，元素分布比较稀疏，同时由于Map频繁的调整大小，可能会降低性能。但是如果负载因子过大，会使得元素分布比较紧凑，导致产生冲突的可能性加大，从而访问、更新速度较慢。所以我们一般推荐不更改负载因子的值，采用默认值0.75.