Day29 | Java集合框架之Map接口详解

在前两篇文章中，我们了解了List和Set这两种容器。他们都能存储一个个独立的元素。

在了解Set的过程中，我们看过其中一个具体的实现，HashSet。

我们知道HashSet的实现实际借助的是HashMap。

而HashMap则是我们今天要讨论的Map接口的实现之一。

Map在Java中，是用来存储成对的、具有映射关系的键值对的容器。

在实际的开发中，配置项、缓存、统计计数等等都以键值对的形式出现。

都可以放到Map中，满足我们根据Key快速查找Value的使用需求。

一、Map是什么

Map是一种映射关系容器，存储的是键值对（Key-Value）而不是单一元素，它不继承自Collection接口。

在Java的集合体系中，Map和Collection平级，形成两个子体系。

java 复制代码

public static void main(String[] args) {
        Map<String, String> map = new HashMap<>();
        map.put("nickName", "懒惰蜗牛");
        map.put("website", "http://lazysnaistudio.com");
        System.out.println(map.get("nickName"));
    }

每个Key最多映射一个Value，如果重复了就会被覆盖。

Key不允许重复，判断依据是equals方法。

Value没有限制，可以重复。

Map允许为null的Key和Value（具体取决于实现类）。

这是Map源码的第一行注释：

二、Map的核心方法

Map接口定义了一系列跟键值对相关的操作方法。

1. 添加/更新

java 复制代码

V put(K key, V value);

添加或更新键值对。如果key已经存在，就会覆盖旧值并返回旧值，否则返回null。

2. 查询

java 复制代码

V get(Object key);
boolean containsKey(Object key);
boolean containsValue(Object value);

get方法返回key对应的值，如果不存在就返回null。

containsKey()和containsValue()用来判断Map里面是不是存在指定key或value。

3. 删除与清空

java 复制代码

V remove(Object key);
void clear();

remove()删除并返回指定key对应的value。

clear()清空Map里所有数据。

4. 获取集合视图

java 复制代码

Set<K> keySet();
Collection<V> values();
Set<Map.Entry<K, V>> entrySet();

keySet是获取所有的key。

values是获取到所有的value。

entrySet是获取到所有的Entry。

我们可以使用这些方法，从不同的角度遍历Map的内容。

三、遍历Map的三种方式

上面我们提到了遍历，接下来看下具体的遍历方式。

1. 遍历keySet + get()

java 复制代码

public static void main(String[] args) {
        Map<String, String> map = new HashMap<>();
        map.put("nickName", "懒惰蜗牛");
        map.put("website", "http://lazysnaistudio.com");

        for (String key : map.keySet()) {
            System.out.println(key + ":" + map.get(key));
        }
    }

2. 遍历entrySet

java 复制代码

public static void main(String[] args) {
        Map<String, String> map = new HashMap<>();
        map.put("nickName", "懒惰蜗牛");
        map.put("website", "http://lazysnaistudio.com");

        for (Map.Entry<String, String> entry : map.entrySet()) {
            System.out.println(entry.getKey() + ":" + entry.getValue());
        }
    }

3. Lambda表达式遍历

java 复制代码

public static void main(String[] args) {
        Map<String, String> map = new HashMap<>();
        map.put("nickName", "懒惰蜗牛");
        map.put("website", "http://lazysnaistudio.com");

        map.forEach((k, v) -> System.out.println(k + ":" + v));
    }

Lambda表达式是Java8引入的，后面会讲到。

4. 使用迭代器安全删除

java 复制代码

public static void main(String[] args) {
        Map<String, String> map = new HashMap<>();
        map.put("nickName", "懒惰蜗牛");
        map.put("website", "http://lazysnaistudio.com");

        Iterator<Map.Entry<String, String>> iterator = map.entrySet().iterator();
        while (iterator.hasNext()) {
            Map.Entry<String, String> entry = iterator.next();
            if (entry.getKey().startsWith("nick")) {
                iterator.remove();
            }
        }
        System.out.println(map.size());
    }

四、Map的常见实现

HashMap、LinkedHashMap、TreeMap、Hashtable、ConcurrentHashMap都是Map的实现。

其中Hashtable已经不推荐使用了。

打开Hashtable源码你会看到，很多的方法都使用了synchronized关键字，这是一个所操作，会影响性能。

如果需要在多线程环境下使用Map，推荐的是ConcurrentHashMap。

ConcurrentHashMap使用了开销更低的锁机制来解决并发问题。

没有数据竞争的情况下，直接使用HashMap就可以了。

HashMap采用的是数组 + 链表/红黑树的底层结构，线程不安全。

LinkedHashMap在HashMap的基础上加上了双向链表，以此来实现插入、查询的顺序。

TreeMap是一个有序的Map，底层结构是红黑树。

前文讲到的TreeSet就是复用的TreeMap，只是TreeSet忽略了Value的存储。

总结一下：

实现类	是否有序	是否线程安全	底层结构	特点
HashMap	否	否	数组 + 链表/红黑树	使用最广泛，允许null键值，查询快
LinkedHashMap	插入顺序/访问顺序	否	HashMap + 双向链表	保留插入/访问顺序，支持构建LRU缓存
TreeMap	按key排序	否	红黑树	有序，支持Comparator定制key排序
Hashtable	否	是	哈希表	线程安全，已过时，性能较差
ConcurrentHashMap	否	是	CAS + 分段锁（JDK8前） → Node + CAS（JDK17）	高并发性能，不允许null键/值

五、HashMap底层实现（JDK17）

1.put的大致流程：

1.1判断table是否为空，若为空则初始化。

table是用来存储Node节点的数组。

1.2调用hash()扰动函数计算key的hash

java 复制代码

static final int hash(Object key) {
        int h;
        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
    }

这个函数主要是为了让计算出来的hash值分布得更加均匀。

1.3计算桶索引：(n - 1) & hash

这一步就是计算这个key会存储在table的哪个下标中。

1.4如果table下标这个位置为空就直接插入，否则就要遍历链表/树查找是不是已经有相同key。

1.5如果key已经存在就覆盖旧值，否则就插入新节点。

1.6树化或者扩容

treeifyBin是树化的入口。

resize是扩容方法。

2.冲突解决策略

桶中节点以链表存储，JDK8引入红黑树优化。

如果链表长度超过TREEIFY_THRESHOLD(8)，并且数组容量>64，链表转红黑树（treeifyBin）。

红黑树查找效率为O(log n)，链表为O(n)。

3.扩容机制

负载因子默认0.75，初始容量16。

每次扩容为原容量2倍。

迁移元素的时候使用 (oldHash & oldCap) 判断是不是要移动到新桶位或者保留原位。

4.图解

画了一个大致的流程图

总结

Map接口虽然不属于Collection体系，但在Java集合里依然非常重要。

掌握他的核心方法和实现原理，能够帮助我们写出更加健壮、高效、易维护的代码。

特别是理解HashMap、TreeMap、ConcurrentHashMap的适用场景和性能特点。

不管是系统设计还是面试都很重要。

下一篇预告

Day30 | Java集合框架之Collections工具类

如果你觉得这系列文章对你有帮助，欢迎关注专栏，我们一起坚持下去！