Map接口 | 带你学《Java语言高级特性》之一百零七

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【本节目标】
本节介绍了Map接口以及它的子类HashMap、LinkedHashMap、HashTable等，需要掌握他们的基本用法。

Map接口

之前已经学习了Collection接口以及其对应的子接口，可以发现在Collection接口之中所保存的数据全部都只是单个对象，而在数据结构中除了可以进行单个对象的保存外，也可以进行二元偶对象的保存（key=value）的形式来存储，而存储二元偶对象的核心意义在于需要通过key获取对应的value。

在开发中，Collection集合保存数据的目的是为了输出，Map集合保存数据的目的是为了进行key的查找。

Map接口是进行二元偶对象保存的最大父接口。该接口定义如下：

public interface Map<K,V>

该接口为一个独立的父接口，并且在进行接口对象实例化的时候需要设置Key与Value的类型，也就是在整体操作的时候需要保存两个内容，在Map接口中定义有许多操作方法，但是需要记住以下的核心操作方法：

从JDK1.9之后Map接口里面也扩充了一些静态方法供用户使用。
范例：观察Map集合的特点

import java.util.Map;
public class JavaAPIDemo {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
//        Map<String,Integer> map=Map.of("one",1,"two",2);
//        System.out.println(map);     //{one=1,two=2}
//       
//        Map<String,Integer> map=Map.of("one",1,"two",2,"one",101);
//        System.out.println(map);    //Exception in thread "main" java.lang.IllegalArgumentException: duplicate key: one
        
        Map<String,Integer> map=Map.of("one",1,"two",2,null,0);
        System.out.println(map);  //Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException
    }
}

在Map集合之中数据的保存就是按照“key=value”的形式存储的，并且使用of()方法操作时里面的数据是不允许重复，如果重复则会出现“IllegalArgumentException”异常，如果设置的内容为null，则会出现“NullPointerException”异常。

对于现在见到的of()方法严格意义上来说并不是Map集合的标准用法，因为正常的开发中需要通过Map集合的子类来进行接口对象的实例化，而常用的子类：HashMap、HashTable、TreeMap、LinkedHashMap。

HashMap子类

HashMap是Map接口中最为常见的一个子类,该类的主要特点是无序存储，通过Java文档首先来观察一下HashMap子类的定义：

public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable

该类的定义继承形式符合之前的集合定义形式，依然提供有抽象类并且依然需要重复实现Map接口。

HashMap子类

范例：观察Map集合的使用

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
public class JavaAPIDemo {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Map<String,Integer> map = new HashMap<String,Integer>();
        map.put("one",1);
        map.put("two",2);
        map.put("one",101);    //key重复
        map.put(null,0);       //key为null
        map.put("zero",null);    //value为null
        System.out.println(map.get("one"));    //key存在：101
        System.out.println(map.get(null));    //key存在：0
        System.out.println(map.get("ten"));     //key不存在：null
    }
}

以上的操作形式为Map集合使用的最标准的处理形式，通过代码可以发现，通过HashMap实例化的Map接口可以针对key或者value保存null的数据，同时也可以发现即便保存数据的key重复，那么也不会出现错误，而是出现内容的替换。

但是对于Map接口中提供的put()方法本身是提供有返回值的，那么这个返回值指的是在重复key的情况下返回旧的value。
范例：观察put()方法

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
public class JavaAPIDemo {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Map<String, Integer> map = new HashMap<String,Integer>();
        System.out.println(map.put("one", 1));    //key不重复，返回null：null
        System.out.println(map.put("one", 101));   //key重复，返回旧数据：1
    }
}

在设置了相同key的内容的时候，put()方法会返回原始的数据内容。

清楚了HashMap的基本功能之后，接下来就需要研究一下HashMap中给出的源代码。HashMap之中肯定需要存储大量的数据，那么对于数据的存储，来看看HashMap是怎样操作的：

public HashMap() {
    this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}

当使用无参构造的时候，会出现有一个loadFactor属性，并且该属性默认的内容为“0.75”（static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;）

public V put(K key, V value) {
    return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}

在使用put()方法进行数据保存时会调用一个putVal()方法，同时会将key进行hash处理（生成一个hash码），而对于putVal()方法中会发现会提供一个Node节点类进行数据的保存，而在使用putVal()方法操作的过程中，会调用一个resize()方法可以进行容量的扩充。

面试题：在进行HashMap的put()操作时，如何实现容量扩充？

• 在HashMap类中提供了一个“DEFAULT_INITIAL_CAPACITY”的常量，作为初始化的容量配置，而这个常量的默认大小为16个元素，也就是说默认的可以保存的最大内容是16；
• 当保存的内容的容量超过了一个阈值（DEFAULT_LOAD_FACTOR=0.75f），相当于“容量*阈值=12”保存12个元素的时候就会进行容量的扩充；
• 在进行扩充的时候HashMap采用的是成倍的扩充模式，即：每一次都扩充2倍的容量。

面试题：请解释HashMap的工作原理（JDK1.8之后开始的）

• 在HashMap中进行数据存储依然是利用Node类完成的，那么这种情况下就证明可以使用的数据结构只有两种：链表（时间复杂度“O(n)”）、二叉树（时间复杂度“O(logn)”）；
• 从JDK1.8开始，HashMap的实现出现了改变，因为其要适应于大数据时代的海量数据问题，所以对其存储发生了变化，并且在HashMap类的内部提供有一个常量：“static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;”，在使用HashMap进行数据保存时，如果保存的数据没有超过阈值8（TREEIFY_THRESHOLD），那么会按照链表的形式进行存储，如果超过了阈值，则会将链表转为红黑树以实现树的平衡，并且利用左旋与右旋保证数据的查询性能。

LinkedHashMap子类

HashMap虽然是Map集合中最为常用的子类，但是其本身保存的数据都是无序的（有序与否对Map没有影响），如果现在希望Map集合中的保存的数据的顺序为其增加顺序，则就可以更换子类为LinkedHashMap（基于链表实现的），观察LinkedHashMap类的定义形式：

public class LinkedHashMap<K,V> extends HashMap<K,V> implements Map<K,V>

既然是链表保存，所以一般在使用LinkedHashMap类时数据量不要特别大，因为会造成时间复杂度攀升，通过继承的结构可以发现LinkedHashMap是HashMap的子类，继承关系如下：

LinkedHashMap

范例：使用LinkedHashMap

import java.util.LinkedHashMap;
import java.util.Map;
public class JavaAPIDemo {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Map<String, Integer> map = new LinkedHashMap<String, Integer>();
        map.put("one", 1);
        map.put("two", 2);
        map.put("one", 101);
        map.put("null", 0);
        map.put("zero", null);
        System.out.println(map);    //{one=101, two=2, null=0, zero=null}
    }
}

通过此时的程序执行可以发现当使用LinkedHashMap进行存储之后所有数据的保存顺序为添加顺序。

HashTable子类

HashTable类是从JDK1.0时提供的，与Vector、Enumeration属于最早的一批动态数组的实现类，后来为了将其继续保留下来，所以让其多实现了一个Map接口，HashTable类的定义如下：

public class Hashtable<K,V> extends Dictionary<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable

HashTable的继承结构如下：

HashTable子类

范例：观察HashTable子类的使用

import java.util.Hashtable;
import java.util.Map;
public class JavaAPIDemo {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Map<String, Integer> map = new Hashtable<String,Integer>();
        map.put("one", 1);
        map.put("two", 2);
        map.put("one", 101);
        // map.put(null, 0);     //不能为空
        // map.put("zero",null);   //不能为空，Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException
        System.out.println(map);  // {two=2, one=101}
    }
}

通过观察可以发现在HashTable中进行数据存储时设置的key或value都不允许为null，否则会出现NullPointerException异常。

面试题：请解释HashMap与HashTable的区别？

• HashMap中的方法都属于异步操作，非线程安全，HashMap允许保存有null的数据；
• HashTable都属于同步方法（线程安全），HashTable不允许保存null，否则会出现NullPointerException异常；

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本内容视频来源于阿里云大学

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