【java第58集】java Map双列集合详解

一. Map接口概述

1.1 Map的核心概念

Java的Map是集合框架中的核心接口之一，用于存储键值对（Key-Value Pairs），通过键（Key）快速查找对应的值（Value）。与List和Set不同，Map是一种双列集合，其核心特点是：

• 键（Key）的唯一性：同一个Map中不能有两个相同的键。
• 值（Value）的可重复性：不同的键可以映射到相同的值。
• 键值对的无序性（除非使用特定实现类如LinkedHashMap或TreeMap）。

1.2 Map与 Collection的区别

特性	Map	Collection
数据结构	键值对（Key-Value Pairs）	单列集合（仅存储值）
唯一性	键唯一，值可重复	Set 唯一，List 可重复
存取方式	通过键快速查找值	通过索引或迭代器访问元素
排序	通常无序（TreeMap 可排序）	List 有序，Set 无序（TreeSet 可排序）

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二、Map的常见实现类

2.1 HashMap

• 底层结构：基于哈希表（数组 + 链表/红黑树）。

• 特点：

  • 非线程安全：适合单线程环境。
  • 允许 null 键和 null 值。
  • 无序性：键值对的存储顺序与插入顺序无关。
  • 性能高：平均时间复杂度为 O(1)。

• 适用场景：对性能要求高且不需要线程安全的场景（如缓存、数据映射）。

• HashMap 的优化：

  • 链表转红黑树：JDK 8 中，当链表长度超过阈值（默认 8）且哈希表容量达到 64 时，链表会转换为红黑树，查询效率从 O(n) 提升至 O(log n)。

  • 初始容量与负载因子：

    • 初始容量：默认 16，可以通过构造函数指定。
    • 负载因子：默认 0.75，表示当元素数量超过 容量 * 负载因子 时扩容。

  • 示例代码：

    Map<String, Integer> map = new HashMap<>();
    map.put("apple", 5);   // 添加键值对
    map.put("banana", 3);
    System.out.println(map.get("apple"));  // 输出 5
    

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2.2 TreeMap

• 底层结构：基于红黑树（平衡二叉搜索树）。

• 特点：

  • 按键自然顺序排序（或自定义比较器）。
  • 不允许 null 键（因为 null 无法比较大小）。
  • 操作时间复杂度为 O(log n)。

• 适用场景：需要按键排序的场景（如排行榜、区间查询）。

• 自定义排序：

  Map<String, Integer> treeMap = new TreeMap<>(Comparator.reverseOrder());
  treeMap.put("apple", 5);
  treeMap.put("banana", 3);
  System.out.println(treeMap);  // 输出 {banana=3, apple=5}
  

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2.3 LinkedHashMap

• 底层结构：继承自 HashMap，维护一个双向链表。

• 特点：

  • 保持插入顺序（或访问顺序）。
  • 性能接近 HashMap。

• 适用场景：需要保持插入顺序或实现 LRU 缓存的场景。

• LRU 缓存示例：

  Map<String, Integer> lruCache = new LinkedHashMap<>(16, 0.75f, true) {
      @Override
      protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<String, Integer> eldest) {
          return size() > 3;  // 保留最多 3 个元素
      }
  };
  lruCache.put("apple", 5);
  lruCache.put("banana", 3);
  lruCache.put("cherry", 2);
  lruCache.put("date", 1);  // 超出容量，删除最久未使用的 "apple"
  

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2.4 Hashtable

• 底层结构：基于哈希表。
• 特点：
  • 线程安全：所有方法都同步。
  • 不允许 null 键和 null 值。
  • 性能较低：由于全表加锁。
• 适用场景：遗留代码或需要线程安全但性能要求不高的场景。

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2.5 ConcurrentHashMap

• 底层结构：基于分段锁（Java 8 后优化为 CAS + synchronized）。

• 特点：

  • 线程安全：支持高并发。
  • 允许 null 值（但不允许 null 键）。
  • 性能优于 Hashtable。

• 适用场景：多线程环境下需要高性能的并发访问。

• 并发场景示例：

  Map<String, Integer> concurrentMap = new ConcurrentHashMap<>();
  concurrentMap.put("apple", 5);
  concurrentMap.computeIfAbsent("banana", k -> 3);  // 如果键不存在，则计算并插入
  

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2.6 EnumMap

• 底层结构：

  • 基于数组：EnumMap 的底层是一个数组，数组的索引由枚举常量的 ordinal() 值决定（即枚举声明的顺序）。
  • 类型绑定：EnumMap 的所有键必须是同一个枚举类型，数组长度等于该枚举类型的常量数量。
  • 高效存储：无需计算哈希码或处理哈希冲突，直接通过 ordinal() 值定位数组下标。

• 特点：

  • 高性能：
    • 插入/查找时间复杂度为 O(1)：通过枚举的 ordinal() 值直接访问数组。
    • 内存紧凑：数组长度等于枚举常量数量，无冗余空间。
  • 有序性：
    • 键值对按照枚举常量的声明顺序存储。
  • 类型安全：
    • 键必须是预定义的枚举类型，编译期检查避免运行时错误。
  • 不允许 null 键：
    • 插入 null 键会抛出 NullPointerException。
      -非线程安全：
    • 与 HashMap 一样，EnumMap 不是线程安全的。

• 适用场景：

  • 枚举键的高效映射：当键是枚举类型且需要快速访问时（如状态机、配置映射）。
  • 需要保持枚举顺序：例如，按枚举声明顺序遍历数据（如报表生成、流程步骤）。
  • 资源受限环境：因内存效率高，适合嵌入式系统或性能敏感场景。

• 示例代码：

  enum Season { WINTER, SPRING, SUMMER, FALL }
  
  public class EnumMapExample {
      public static void main(String[] args) {
          EnumMap<Season, String> seasonMap = new EnumMap<>(Season.class);
          seasonMap.put(Season.WINTER, "Cold");
          seasonMap.put(Season.SPRING, "Warm");
          seasonMap.put(Season.SUMMER, "Hot");
          seasonMap.put(Season.FALL, "Cool");
  
          // 按枚举声明顺序遍历
          for (Season season : Season.values()) {
              System.out.println(season + ": " + seasonMap.get(season));
          }
      }
  }
  

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2.7 Properties

• 底层结构：

  • 继承自 Hashtable（Java 8 及之前），Java 9+ 改为基于 HashMap。
  • 键值对类型限制：
    • 键和值必须是 String 类型（否则会抛出 ClassCastException）。
  • 支持属性文件操作：
    • 通过 load(InputStream) 从 .properties 文件加载键值对。
    • 通过 store(OutputStream, String) 将键值对保存到文件。

• 特点：

  • 线程安全（Java 8 及之前）：
    • 继承自 Hashtable，所有方法同步。Java 9+ 改用 HashMap，但 Properties 仍通过同步方法保证线程安全。
  • 支持注释：
    • 属性文件中可使用 # 或 ! 添加注释。
  • 默认值支持：
    • 可通过 defaults 属性设置默认值，键不存在时自动查找。
  • 键值对格式：
    • 支持 key=value、key:value、key value 等格式。
  • 不允许 null 键或值：
    • 插入 null 键/值会抛出 NullPointerException。

• 适用场景：

  • 配置管理：
    • 存储和读取应用程序配置（如数据库连接、日志配置、国际化资源）。
  • 持久化属性：
    • 需要将键值对保存到文件并读取的场景（如用户偏好设置）。
  • 跨平台兼容性：
    • 属性文件为纯文本，适合跨语言或跨平台的配置共享。

• 示例代码：

  import java.io.*;
  import java.util.Properties;
  
  public class PropertiesExample {
      public static void main(String[] args) throws IOException {
          Properties props = new Properties();
  
          // 从文件加载属性
          try (InputStream in = new FileInputStream("config.properties")) {
              props.load(in);
          }
  
          // 获取属性值
          String dbUrl = props.getProperty("database.url");
          System.out.println("Database URL: " + dbUrl);
  
          // 设置新属性并保存到文件
          props.setProperty("new.key", "new.value");
          try (OutputStream out = new FileOutputStream("config.properties")) {
              props.store(out, "Updated config");
          }
      }
  }
  

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三、Map的常用方法

3.1 添加/更新键值对

• V put(K key, V value)
  插入键值对，若键存在则覆盖旧值，返回旧值。

  map.put("apple", 5);
  

• void putAll(Map m)
  合并另一个 Map 的键值对。

  map.putAll(anotherMap);
  

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3.2 获取值

• V get(Object key)
  返回指定键对应的值，若键不存在则返回 null。

  int count = map.get("banana");
  

• V getOrDefault(Object key, V defaultValue)
  返回指定键对应的值，若键不存在则返回默认值。

  int count = map.getOrDefault("grape", 0);
  

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3.3 删除键值对

• V remove(Object key)
  删除指定键的键值对，返回被删除的值。

  map.remove("apple");
  

• void clear()
  清空所有键值对。

  map.clear();
  

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3.4 查询操作

• boolean containsKey(Object key)
  判断是否包含指定键。

  boolean hasApple = map.containsKey("apple");
  

• boolean containsValue(Object value)
  判断是否包含指定值。

  boolean hasFive = map.containsValue(5);
  

• int size()
  返回键值对数量。

  int size = map.size();
  

• boolean isEmpty()
  判断是否为空。

  boolean isEmpty = map.isEmpty();
  

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3.5 遍历操作

• Set keySet()
  返回所有键的集合。

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

• Collection values()
  返回所有值的集合。

  for (Integer value : map.values()) {
      System.out.println(value);
  }
  

• Set> entrySet()
  返回所有键值对的集合。

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

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3.6 Java 8 新增方法

• default void forEach(BiConsumer action)
  对每个键值对执行操作。

  map.forEach((key, value) -> System.out.println(key + ": " + value));
  

• default V computeIfAbsent(K key, Function mappingFunction)
  如果键不存在，则计算并插入值。

  map.computeIfAbsent("pear", k -> 7);
  

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四、使用Map的注意事项

4.1 键的唯一性和一致性

• 键必须正确实现 hashCode() 和 equals() 方法，否则可能导致哈希冲突或查找失败。
• 自定义键的示例：

  class CustomKey {
      private String name;
      private int id;
  
      @Override
      public boolean equals(Object o) {
          if (this == o) return true;
          if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false;
          CustomKey that = (CustomKey) o;
          return id == that.id && Objects.equals(name, that.name);
      }
  
      @Override
      public int hashCode() {
          return Objects.hash(name, id);
      }
  }
  

4.2 线程安全

• 非线程安全的 Map（如 HashMap）在多线程环境下需使用 Collections.synchronizedMap 包装或选择 ConcurrentHashMap。

  Map<String, Integer> syncMap = Collections.synchronizedMap(new HashMap<>());
  

4.3 性能优化

• 初始容量和负载因子：预估数据量，设置合适的初始容量和负载因子以减少扩容次数。
• 避免哈希冲突：确保键的 hashCode() 和 equals() 方法合理，减少链表或红黑树的使用。

4.4 遍历顺序

• HashMap 和 TreeMap 的遍历顺序与插入顺序无关。
• LinkedHashMap 保持插入顺序或访问顺序（通过构造方法指定）。

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五、遍历Map的方式

5.1 使用 keySet() 遍历

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

5.2 使用 entrySet() 遍历

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

5.3 使用 Iterator 遍历 吗，

Iterator<Map.Entry<String, Integer>> iterator = map.entrySet().iterator();
while (iterator.hasNext()) {
    Map.Entry<String, Integer> entry = iterator.next();
    System.out.println(entry.getKey() + " -> " + entry.getValue());
}

5.4 使用 Java 8 的 Stream API

map.entrySet().stream().forEach(entry -> 
    System.out.println(entry.getKey() + ": " + entry.getValue())
);

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六、常见问题与解决方案

6.1 如何保证键的唯一性？

• Map 自动检查键的唯一性，重复键会覆盖旧值。确保键的 equals() 和 hashCode() 方法正确实现。

6.2 如何处理 null 键和 null 值？

• HashMap 允许 null 键和 null 值，但 TreeMap 不允许 null 键（因为无法比较大小）。

6.3 如何在多线程环境下安全使用 Map？

• 使用 ConcurrentHashMap 或通过 Collections.synchronizedMap 包装普通 Map。

6.4 如何遍历时修改 Map？

• 应当使用迭代器的 remove() 方法。如果直接修改 Map 会抛出 ConcurrentModificationException。

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七、总结

7.1 选择实现类

• HashMap：高性能、无序、允许 null。
• TreeMap：按键排序。
• LinkedHashMap：保持插入顺序或实现 LRU 缓存。
• ConcurrentHashMap：高并发环境下的线程安全。

7.2 方法使用

• 添加/更新：put、putAll。
• 获取/删除：get、remove。
• 遍历：keySet、entrySet、forEach。

7.3 性能优化

• 合理设置初始容量和负载因子。
• 避免哈希冲突。
• 使用不可变对象作为键。

7.4 实际应用场景

• 缓存：使用 HashMap 或 ConcurrentHashMap。
• 数据统计：使用 HashMap 统计频率。
• 配置管理：使用 TreeMap 按键排序。