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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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神奇公式秒杀全国11选5 www.2zfa.com 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,因此它支持序列化;

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。  
  // 输入参数包括"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中删除元素时,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参数:初始容量和加载因子。这两个参数是影响HashMap性能的重要参数,其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以达到多满的一种尺度,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),对空间造成严重浪费。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,在该索引对应的单链表中查找是否有键值对的key与目标key相等,有就返回对应的value,没有则返回null。

put方法稍微复杂些,代码如下:

// 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;  
}  
  }  
  // 如果没有存在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,如果找不到与目标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是位置索引。  
 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)。

两外注意最后两行代码,每次加入键值对时,都要判断当前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(要重新计算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,因为它需要重新计算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到用hash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?;嵊玫匠ㄔ怂?,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,也可能为1(这取决于h的值),即与后的结果可能为偶数,也可能为奇数,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上,这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值发生碰撞的概率较小,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,它支持序列化,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较重要的总结,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)”,然后在链表中找出“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判断,有点小不解!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倍加1,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重新计算了key的hash值,Hashtable在求hash值对应的位置索引时,用取模运算,而HashMap在求位置索引时,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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