Map集合、散列表、紅黑樹介紹

前言

聲明，本文用得是jdk1.8

前面已經講了Collection的總覽和剖析List集合：

• Collection總覽
• List集合就這么簡單【源碼剖析】

原本我是打算繼續將Collection下的Set集合的，結果看了源碼發現：Set集合實際上就是HashMap來構建的！

所以，就先介紹Map集合、散列表和紅黑樹吧！

看這篇文章之前最好是有點數據結構的基礎：

• Java實現單向鏈表
• 棧和隊列就是這么簡單
• 二叉樹就這么簡單

當然了，如果講得有錯的地方還請大家多多包涵並不吝在評論去指正～

一、Map介紹

1.1為什么需要Map

前面我們學習的Collection叫做集合，它可以快速查找現有的元素。

而Map在《Core Java》中稱之為-->映射..

映射的模型圖是這樣的：

那為什么我們需要這種數據存儲結構呢？？？舉個例子

• 作為學生來說，我們是根據學號來區分不同的學生。只要我們知道學號，就可以獲取對應的學生信息。這就是Map映射的作用！

生活中還有很多這樣的例子：只要你掏出身份證(key)，那就可以證明是你自己(value)

1.2Map與Collection的區別

1.3Map的功能

下面我們來看看Map的源碼：

簡單常用的Map功能有這么一些：

下面用紅色框框圈住的就是Map值得關注的子類：

二、散列表介紹

無論是Set還是Map，我們會發現都會有對應的-->HashSet,HashMap

首先我們也先得回顧一下數據和鏈表：

• 鏈表和數組都可以按照人們的意願來排列元素的次序，他們可以說是有序的(存儲的順序和取出的順序是一致的)
• 但同時，這會帶來缺點：想要獲取某個元素，就要訪問所有的元素，直到找到為止。
• 這會讓我們消耗很多的時間在里邊，遍歷訪問元素~

而還有另外的一些存儲結構：不在意元素的順序，能夠快速的查找元素的數據

• 其中就有一種非常常見的：散列表

2.1散列表工作原理

散列表為每個對象計算出一個整數，稱為散列碼。根據這些計算出來的整數(散列碼)保存在對應的位置上！

在Java中，散列表用的是鏈表數組實現的，每個列表稱之為桶。【之前也寫過桶排序就這么簡單，可以回顧回顧】

一個桶上可能會遇到被占用的情況(hashCode散列碼相同，就存儲在同一個位置上)，這種情況是無法避免的，這種現象稱之為：散列沖突

• 此時需要用該對象與桶上的對象進行比較，看看該對象是否存在桶子上了~如果存在，就不添加了，如果不存在則添加到桶子上
• 當然了，如果hashcode函數設計得足夠好，桶的數目也足夠，這種比較是很少的~
• 在JDK1.8中，桶滿時會從鏈表變成平衡二叉樹

如果散列表太滿，是需要對散列表再散列，創建一個桶數更多的散列表，並將原有的元素插入到新表中，丟棄原來的表~

• 裝填因子(load factor)決定了何時對散列表再散列~
• 裝填因子默認為0.75，如果表中超過了75%的位置已經填入了元素，那么這個表就會用雙倍的桶數自動進行再散列

當然了， 在后面閱讀源碼的時候會繼續說明的，現在簡單了解一下即可~

擴展閱讀：

• https://www.cnblogs.com/s-b-b/p/6208565.html
• https://www.cnblogs.com/chinajava/p/5808416.html

三、紅黑樹介紹

上面散列表中已經提過了：如果桶數滿的時候，JDK8是將鏈表轉成紅黑樹的~。並且，我們的TreeSet、TreeMap底層都是紅黑樹來實現的。

所以，在這里學習一波紅黑樹到底是啥玩意。

之前涉及過二叉樹的文章：

• 二叉樹就這么簡單
• 堆排序就這么簡單

在未學習之前，我們可能是聽過紅黑樹這么一個數據結構類型的，還有其他什么B/B+樹等等，反正是比較復雜的數據結構了~~~

各種常見的樹的用途：

來源：
https://www.zhihu.com/question/30527705/answer/52527887

3.1回顧二叉查找樹

首先我們來回顧一下：利用二叉查找樹的特性，我們一般來說可以很快地查找出對應的元素。

• 二叉樹就這么簡單

可是二叉查找樹也有個例(最壞)的情況(線性)：

上面符合二叉樹的特性，但是它是線性的，完全沒樹的用處~

樹是要“均衡”才能將它的優點展示出來的~，比如下面這種：

因此，就有了平衡樹這么一個概念~紅黑樹就是一種平衡樹，它可以保證二叉樹基本符合矮矮胖胖(均衡)的結構

3.2知新2-3樹

講到了平衡樹就不得不說最基礎的2-3樹，2-3樹長的是這個樣子：

在二叉查找樹上，我們插入節點的過程是這樣的：小於節點值往右繼續與左子節點比，大於則繼續與右子節點比，直到某節點左或右子節點為空，把值插入進去。這樣無法避免偏向問題

而2-3樹不一樣：它插入的時候可以保持樹的平衡！

在2-3樹插入的時可以簡單總結為兩個操作：

• 合並2-節點為3-節點，擴充將3-節點擴充為一個4-節點
• 分解4-節點為3-節點，節點3-節點為2-節點
• ........至使得樹平衡~

合並分解的操作還是比較復雜的，要分好幾種情況，代碼量很大_{這里我就不介紹了，因為要學起來是一大堆的，很麻煩}

3.3從2-3樹到紅黑樹

由於2-3樹為了保持平衡性，在維護的時候是需要大量的節點交換的！這些變換在實際代碼中是很復雜的，大佬們在2-3樹的理論基礎上發明了紅黑樹(2-3-4樹也是同樣的道理，只是2-3樹是最簡單的一種情況，所以我就不說2-3-4樹了)。

• 紅黑樹是對2-3查找樹的改進，它能用一種統一的方式完成所有變換。

紅黑樹是一種平衡二叉樹,因此它沒有3-節點。那紅黑樹是怎么將3-節點來改進成全都是二叉樹呢？

紅黑樹就字面上的意思，有紅色的節點，有黑色的節點：

我們可以將紅色節點的左鏈接畫平看看：

一顆典型的二叉樹：

將紅色節點的左鏈接畫平之后：得到2-3平衡樹:

3.4紅黑樹基礎知識

前面已經說了，紅黑樹是在2-3的基礎上實現的一種樹，它能夠用統一的方式完成所有變換。很好理解：紅黑樹也是平衡樹的一種，在插入元素的時候它也得保持樹的平衡，那紅黑樹是以什么的方式來保持樹的平衡的呢？

紅黑樹用的是也是兩種方式來替代2-3樹不斷的節點交換操作：

• 旋轉：順時針旋轉和逆時針旋轉
• 反色：交換紅黑的顏色
• 這個兩個實現比2-3樹交換的節點(合並，分解)要方便一些

紅黑樹為了保持平衡，還有制定一些約束，遵守這些約束的才能叫做紅黑樹：

1. 紅黑樹是二叉搜索樹。
2. 根節點是黑色。
3. 每個葉子節點都是黑色的空節點（NIL節點）。
4. 每個紅色節點的兩個子節點都是黑色。(從每個葉子到根的所有路徑上不能有兩個連續的紅色節點)
5. 從任一節點到其每個葉子的所有路徑都包含相同數目的黑色節點(每一條樹鏈上的黑色節點數量（稱之為“黑高”）必須相等)。

3.5紅黑樹總結

紅黑樹可以說是十分復雜的，我在學習的時候並沒有去認真細看當中的處理細節，只是大概的過了一遍，知道了整體~

有了前輩很多優質的資料，相信要等到想要理解其中的細節，花點力氣和時間還是可以掌握一二的。

紅黑樹參考資料：

• https://blog.csdn.net/chen_zhang_yu/article/details/52415077
• https://riteme.github.io/blog/2016-3-12/2-3-tree-and-red-black-tree.html#fn:red-is-left
• http://www.sohu.com/a/201923614_466939
• https://www.jianshu.com/p/37c845a5add6
• https://www.cnblogs.com/nullzx/p/6111175.html
• https://blog.csdn.net/fei33423/article/details/79132930

四、總結

這篇主要介紹了Map集合的基礎知識，了解Map的常用子類~

簡單介紹了散列表和紅黑樹，他倆作為Hashxxx和Treexxx的底層，了解其整體思想和相關基礎在后續看源碼也不至於那么懵~

后續會去看Map常用子類的源碼，文章敬請期待~~~~

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參考資料：

• 《Core Java》