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              java中的Map接口实现类TreeMap、HashMap、WeakHashMap、HashTable的实例讲解
              2018-07-27 15:24:39         来源:调皮的写代码  
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              一、Map的简介

              二、HashMap源码解读

              1)HashMap的特点

              HashMap是基于哈希表实现的,每一个元素是一个key-value对,其内部通过单链表解决冲突问题,容量不足(超过了阀值)时,同样会自动增长;

              HashMap是非线程安全的,只是用于单线程环境下,多线程环境下可以采用concurrent并发包下的concurrentHashMap;

              HashMap实现了Serializable接口,因此它支?#20013;?#21015;化;

              实现了Cloneable接口,能被克隆。

              2)HashMap的源码讲解(jdk1.7)参考附属文件的代码,原文中有注解,下载

              3)HashMap的总结

              首先要清楚HashMap的存储结构,如下图所示:

              \

              图中,紫色部分即代表哈希表,也称为哈希数组,数组的每个元素都是一个单链表的头节点,链表是用来解决冲突的,如果不同的key映射到了数组的同一位置处,就将其放入单链表中。

              首先看链表中节点的数据结构:

              // Entry是单向链表。  
               // 它是 “HashMap链式存储法”对应的链表。  
               // 它实现了Map.Entry 接口,即实现getKey(), getValue(), setValue(V value), equals(Object o), hashCode()这些函数  
               static class Entry implements Map.Entry {  
                final K key;  
                V value;  
                // 指向下一个节点  
                Entry next;  
                final int hash;  
               
                // 构造函数。  
                // 输入?#38382;?#21253;括"哈希值(h)", "键(k)", "值(v)", "下一节点(n)"  
                Entry(int h, K k, V v, Entry n) {  
              value = v;  
              next = n;  
              key = k;  
              hash = h;  
                }  
               
                public final K getKey() {  
              return key;  
                }  
               
                public final V getValue() {  
              return value;  
                }  
               
                public final V setValue(V newValue) {  
              V oldValue = value;  
              value = newValue;  
              return oldValue;  
                }  
               
                // 判断两个Entry是否相等  
                // 若两个Entry的“key”和“value”都相等,则返回true。  
                // 否则,返回false  
                public final boolean equals(Object o) {  
              if (!(o instanceof Map.Entry))  
               return false;  
              Map.Entry e = (Map.Entry)o;  
              Object k1 = getKey();  
              Object k2 = e.getKey();  
              if (k1 == k2 || (k1 != null && k1.equals(k2))) {  
               Object v1 = getValue();  
               Object v2 = e.getValue();  
               if (v1 == v2 || (v1 != null && v1.equals(v2)))  
                return true;  
              }  
              return false;  
                }  
               
                // 实现hashCode()  
                public final int hashCode() {  
              return (key==null 0 : key.hashCode()) ^  
               (value==null  0 : value.hashCode());  
                }  
               
                public final String toString() {  
              return getKey() + "=" + getValue();  
                }  
               
                // 当向HashMap中添加元素时,绘调用recordAccess()。  
                // 这里不做任何处理  
                void recordAccess(HashMap m) {  
                }  
               
                // 当从HashMap中?#22659;?#20803;素时,绘调用recordRemoval()。  
                // 这里不做任何处理  
                void recordRemoval(HashMap m) {  
                }  
               }

              它的结构元素除了key、value、hash外,还有next,next指向下一个节点。另外,这里覆写了equals和hashCode方法来保证键值对的独一无二。

              HashMap共有四个构造方法。构造方法中提到了两个很重要的?#38382;?#21021;始容量?#22270;?#36733;因子。这两个?#38382;?#26159;影响HashMap性能的重要?#38382;?#20854;中容量表示哈希表中槽的数量(即哈希数组的长度),初始容量是创建哈希表时的容量(从构造函数中可以看出,如果不指明,则默认为16),加载因子是哈希表在其容量自动增加之前可?#28304;?#21040;多满的一种尺度,当哈希表中的条目数超出了加载因子与当前容量的乘积时,则要对该哈希表进行 resize 操作(即扩容)。

              下面说下加载因子,如果加载因子越大,对空间的利用更充分,但是查找效率会降低(链表长度会越来越长);如果加载因子太小,那么表中的数据将过于稀疏(很多空间还没用,就开始扩容了),对空间造成?#29616;?#28010;费。如果我们在构造方法中不指定,则系统默认加载因子为0.75,这是一个比较理想的值,一般情况下我们是无需修改的。

              另外,无论我们指定的容量为多少,构造方法都会将实际容量设为不小于指定容量的2的次方的一个数,且最大值不能超过2的30次方

              HashMap中key和value都允许为null。

              要重点分析下HashMap中用的最多的两个方法put和get。先从比较简单的get方法着手,源码如下:

                // 获取key对应的value  
               public V get(Object key) {  
                if (key == null)  
              return getForNullKey();  
                // 获取key的hash值  
                int hash = hash(key.hashCode());  
                // 在“该hash值对应的链表”上查找“键值等于key”的元素  
                for (Entry e = table[indexFor(hash, table.length)];  
               e != null;  
               e = e.next) {  
              Object k;  
              			//判断key是否相同
              if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))  
               return e.value;  
                }
              		//没找到则返回null
                return null;  
               }  
               
               // 获取“key为null”的元素的值  
               // HashMap将“key为null”的元素存储在table[0]位置,但不一定是该链表的第一个位置!  
               private V getForNullKey() {  
                for (Entry e = table[0]; e != null; e = e.next) {  
              if (e.key == null)  
               return e.value;  
                }  
                return null;  
               } 

              首先,如果key为null,则直接从哈希表的第一个位置table[0]对应的链表上查找。记住,key为null的键值对永远都放在以table[0]为头结点的链表中,当然不一定是存放在头结点table[0]中。

              如果key不为null,则先求的key的hash值,根据hash值找到在table中的索引,在?#30431;?#24341;对应的单链表中查找是否有键值对的key与目标key相等,有?#22836;?#22238;对应的value,没有则返回null。

              put方法稍微复?#26377;?#20195;码如下:

              // 将“key-value”添加到HashMap中  
               public V put(K key, V value) {  
                // 若“key为null”,则将该键值对添加到table[0]中。  
                if (key == null)  
              return putForNullKey(value);  
                // 若“key不为null”,则计算该key的哈希值,然后将其添加到该哈希值对应的链表中。  
                int hash = hash(key.hashCode());  
                int i = indexFor(hash, table.length);  
                for (Entry e = table[i]; e != null; e = e.next) {  
              Object k;  
              // 若“该key”对应的键值对已经存在,则用新的value取代旧的value。然后退出!  
              if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {  
               V oldValue = e.value;  
               e.value = value;  
               e.recordAccess(this);  
               return oldValue;  
              }  
                }  
               
                // 若“该key”对应的键值对不存在,则将“key-value”添加到table中  
                modCount++;
              		//将key-value添加到table[i]处
                addEntry(hash, key, value, i);  
                return null;  
               }

              如果key为null,则将其添加到table[0]对应的链表中,putForNullKey的源码如下:

              // putForNullKey()的作用是将“key为null”键值对添加到table[0]位置  
               private V putForNullKey(V value) {  
                for (Entry e = table[0]; e != null; e = e.next) {  
              if (e.key == null) {  
               V oldValue = e.value;  
               e.value = value;  
               e.recordAccess(this);  
               return oldValue;  
              }  
                }  
                // 如果没?#20889;?#22312;key为null的键值对,则直接题阿见到table[0]处!  
                modCount++;  
                addEntry(0, null, value, 0);  
                return null;  
               }

              如果key不为null,则同样先求出key的hash值,根据hash值得出在table中的索引,而后遍历对应的单链表,如果单链表中存在与目标key相等的键值对,则将新的value覆盖旧的value,比将旧的value返回,如果找不?#25509;?#30446;标key相等的键值对,或者该单链表为空,则将该键值对插入到改单链表的头结点位置(每次新插入的节点都是放在头结点的位置),该操作是有addEntry方法实现的,它的源码如下:

              // 新增Entry。将“key-value”插入指定位置,bucketIndex是位?#30431;?#24341;。  
               void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {  
                // 保存“bucketIndex”位置的值到“e”中  
                Entry e = table[bucketIndex];  
                // 设置“bucketIndex”位置的元素为“新Entry”,  
                // 设置“e”为“新Entry的下一个节点”  
                table[bucketIndex] = new Entry(hash, key, value, e);  
                // 若HashMap的实际大小 不小于 “阈值”,则调整HashMap的大小  
                if (size++ >= threshold)  
              resize(2 * table.length);  
               } 

              注意这里倒数第三行的构造方法,将key-value键值对赋给table[bucketIndex],并将其next指向元素e,这便将key-value放到了头结点中,并将之前的头结点接在了它的后面。该方法也说明,每次put键值对的时候,总是将新的该键值对放在table[bucketIndex]处(即头结点处)。

              两外注意最后两?#20889;?#30721;,每次加入键值对时,都要判?#31995;?#21069;已用的槽的数目是否大于等于阀值(容量*加载因子),如果大于等于,则进行扩容,将容量扩为原来容量的2倍。

              6、关于扩容。上面我们看到了扩容的方法,resize方法,它的源码如下:

               // 重新调整HashMap的大小,newCapacity是调整后的单位  
               void resize(int newCapacity) {  
                Entry[] oldTable = table;  
                int oldCapacity = oldTable.length;  
                if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {  
              threshold = Integer.MAX_VALUE;  
              return;  
                }  
               
                // 新建一个HashMap,将“旧HashMap”的全部元素添加到“新HashMap”中,  
                // 然后,将“新HashMap”赋值给“旧HashMap”。  
                Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];  
                transfer(newTable);  
                table = newTable;  
                threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);  
               } 

              很明显,是新建了一个HashMap的底层数组,而后调用transfer方法,将就HashMap的全部元素添加到新的HashMap中(要重?#24405;?#31639;元素在新的数组中的索引位置)。transfer方法的源码如下:

              // 将HashMap中的全部元素都添加到newTable中  
               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 = next;  
               } while (e != null);  
              }  
                }  
               } 

              很明显,扩容是一个相当耗时的操作,因为它需要重?#24405;?#31639;这些元素在新的数组中的位置并进行复制处理。因此,我们在用HashMap的时,最好能提前预估下HashMap中元素的个数,这样有助于提高HashMap的性能。

              7、注意containsKey方法和containsValue方法。前者直接可以通过key的哈希值将搜索范围定位到指定索引对应的链表,而后者要对哈希数组的每个链表进行搜索。

              8、我们重点来分析下求hash值和索引值的方法,这两个方法便是HashMap设计的最为核心的部分,二者结合能保证哈希表中的元素尽可能均匀地散列。

              计算哈希值的方法如下:

              static int hash(int h) {
                h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
                return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
               }

              它只是一个数学公式,IDK这样设计对hash值的计算,自然有它的好处,至于为什么这样设计,我们这里不去追究,只要明白一点,用的位的操作使hash值的计算效率很高。

              由hash值找到对应索引的方法如下:

              static int indexFor(int h, int length) {
                return h & (length-1);
               }

              这个我们要重点说下,我们一般对哈希表的散列很自然地会想?#25509;胔ash值对length取模(即除法散列法),Hashtable中也是这样实现的,这种方法基本能保证元素在哈希表中散列的比较均匀,但取模会用到除法运算,效率很低,HashMap中则通过h&(length-1)的方法来代替取模,同样实现了均匀的散列,但效率要高很多,这也是HashMap对Hashtable的一个改进。

              接下来,我们分析下为什么哈希表的容量一定要是2的整数次幂。首先,length为2的整数次幂的话,h&(length-1)就相当于对length取模,这样便保证了散列的均匀,同时也提升了效率;其次,length为2的整数次幂的话,为偶数,这样length-1为奇数,奇数的最后一位是1,这样便保证了h&(length-1)的最后一位可能为0,?#37096;?#33021;为1(这取决于h的值),即与后的结果可能为偶数,?#37096;?#33021;为奇数,这样便可以保证散列的均匀性,而如果length为奇数的话,很明显length-1为偶数,它的最后一位是0,这样h&(length-1)的最后一位肯定为0,即只能为偶数,这样任何hash值都只会被散列到数组的偶数下标位置?#24076;?#36825;便浪费了近一半的空间,因此,length取2的整数次幂,是为了使不同hash值发生碰撞的概?#24335;?#23567;,这样就能使元素在哈希表中均匀地散列。

              三、TreeMap源码解读

              1)TreeMap的特点

              2)TreeMap的源码讲解(jdk1.7)参考附属文件的代码,原文中有注解,下载

              3)TreeMap的总结

              四、WeakHashMap源码解读

              1)WeakHashMap的特点

              2)WeakHashMap的源码讲解(jdk1.7)参考附属文件的代码,原文中有注解,下载

              3)WeakHashMap的总结

              五、HashTable源码解读

              1)HashTable的特点

              Hashtable同样是基于哈希表实现的,同样每个元素是一个key-value对,其内部也是通过单链表解决冲突问题,容量不足(超过了阀值)时,同样会自动增长。

              Hashtable也是JDK1.0引入的类,是线程安全的,能用于多线程环境中。

              Hashtable同样实现了Serializable接口,它支?#20013;?#21015;化,实现了Cloneable接口,能被克隆。

              2)HashTable的源码讲解(jdk1.7)参考附属文件的代码,原文中有注解,下载

              3)HashTable的总结

              针对Hashtable,我们同样给出几点比?#29616;?#35201;的总结,但要结合与HashMap的比较来总结。

              1、二者的存储结构和解决冲突的方法都是相同的。

              2、HashTable在不指定容量的情况下的默认容量为11,而HashMap为16,Hashtable不要求底层数组的容量一定要为2的整数次幂,而HashMap则要求一定为2的整数次幂。

              3、Hashtable中key和value都不允许为null,而HashMap中key和value都允许为null(key只能有一个为null,而value则可以有多个为null)。但是如果在Hashtable中有类似put(null,null)的操作,编译同样可以通过,因为key和value都是Object类型,但运行时会抛出NullPointerException异常,这是JDK的规范规定的。我们来看下ContainsKey方法和ContainsValue的源码:

              // 判断Hashtable是否包含“值(value)”  
               public synchronized boolean contains(Object value) {  
                //注意,Hashtable中的value不能是null,  
                // 若是null的话,抛出异常!  
                if (value == null) {  
              throw new NullPointerException();  
                }  
               
                // 从后向前遍历table数组中的元素(Entry)  
                // 对于每个Entry(单向链表),逐个遍历,判断节点的值是否等于value  
                Entry tab[] = table;  
                for (int i = tab.length ; i-- > 0 ;) {  
              for (Entry e = tab[i] ; e != null ; e = e.next) {  
               if (e.value.equals(value)) {  
                return true;  
               }  
              }  
                }  
                return false;  
               }  
               
               public boolean containsValue(Object value) {  
                return contains(value);  
               }  
               
               // 判断Hashtable是否包含key  
               public synchronized boolean containsKey(Object key) {  
                Entry tab[] = table;  
              		//计算hash值,直接用key的hashCode代替
                int hash = key.hashCode(); 
                // 计算在数组中的索引值 
                int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;  
                // 找到“key对应的Entry(链表)”,然后在链表中?#39029;?ldquo;哈希值”和“键值”与key都相等的元素  
                for (Entry e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) {  
              if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {  
               return true;  
              }  
                }  
                return false;  
               } 

              很明显,如果value为null,会直接抛出NullPointerException异常,但源码中并没有对key是否为null判?#24076;?#26377;点小不解!不过NullPointerException属于RuntimeException异常,是可以由JVM自动抛出的,也许对key的值在JVM中有所限制吧。

              4、Hashtable扩容时,将容量变为原来的2?#37117;?,而HashMap扩容时,将容量变为原来的2倍。

              5、Hashtable计算hash值,直接用key的hashCode(),而HashMap重?#24405;?#31639;了key的hash值,Hashtable在求hash值对应的位?#30431;?#24341;时,用取模运算,而HashMap在求位?#30431;?#24341;时,则用与运算,且这里一般先用hash&0x7FFFFFFF后,再对length取模,&0x7FFFFFFF的目的是为了将负的hash值转化为正值,因为hash值有可能为负数,而&0x7FFFFFFF后,只有符号外改变,而后面的位都不变。

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