Java集合總結（二）：Map和Set

集合類的架構圖：

HashMap

• 內部維護一個鏈表數組做哈希表，默認大小為16，最大值可以為2^30，默認負載因子0.75。
• 可以通過構造方法指定初始大小和負載因子，當鍵值對個數大於等於臨界值threshold（數組當前大小和負載因子的乘積）時對數組進行擴容，擴容策略為當前數組大小乘以2。
• 數組的每一項都是一個鏈表，鏈表的每個結點（靜態內部類Entry）都是鍵值對，並緩存了key的hash值。
• key 和value都可以為null，key為null時結點存儲在hash表數組下標為0的位置。

put過程：

    public V put(K key, V value) {
        if (table == EMPTY_TABLE) {
            inflateTable(threshold);
        }
        if (key == null)
            return putForNullKey(value);
        int hash = hash(key);
        int i = indexFor(hash, table.length);
        for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
            Object k;
            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;
            }
        }

        modCount++;
        addEntry(hash, key, value, i);
        return null;
    }

• 通過key的hashcode計算出一個內部的hash值，然后用這個hash值對哈希表大小取余（算法為h & (length-1)，此處可以體現hash表length擴容策略為指數方式的優勢）定位到哈希表的位置，然后遍歷該位置的鏈表，當遇到相等的key時，替換原來的value並將原來的value返回
• 如果沒找着key相同的記錄，就在相應位置添加新的鏈表結點，並將原來該位置的鏈表鏈接到此節點后，此節點作為頭結點，當size大於閾值，則擴容到原來數組大小的兩倍

HashMap不是線程安全的，多線程環境下可能造成死循環（對hash表擴容后transfer數據時發生）或者丟失數據（hash沖突后添加新節點到鏈表時發生）。

 

HashSet
HashSet通過內嵌一個HashMap對象的方式來實現，通過HashMap的key來存儲，value都是相同的一個空Object()對象。與HashMap一樣，要求需要存儲的key實現hashcode和equals方法，且與HashMap具備同樣的初始大小和擴容策略。

 

TreeMap

紅黑樹：一種大致平衡的二叉查找樹，大致平衡是為了在保持較高檢索效率的同時還不需要頻繁調整，從而保持了統計上的性能。

• TreeMap內部使用了紅黑樹來實現，維護其根節點，每個key-value都內嵌於其中一個節點（Entry），同時Entry還具有left、right、parent以及color屬性用以維持其樹形結構。
• 結點之間按key有序，需要key實現comparable接口或者在構造方法中傳入一個比較器comparator。
• 迭代時按key排序，保存時會使用key的比較結果對key進行排重，只要比較結果相同就會被認為是同一份，此時保存的key值為第一次put的key，value為第二次put進去的value
• 通過key get時，搜索二叉查找樹，找到匹配的返回其value，找不到返回null
• 通過value獲取時，遍歷所有節點搜索
• TreeMap實現了SortedMap和NavigableMap接口，可以方便的根據鍵的順序進行查找，如第一個、最后一個、某一范圍的鍵、鄰近鍵等。
• 根據鍵保存、查找、刪除的效率比較高，為O(h)，h為樹的高度，在樹平衡的情況下，h為log2(N)，N為節點數。
• TreeSet
• 內部持有一個TreeMap，類似HashSet，沒有重復元素，添加刪除判斷元素是否存在效率較高，為O(log2N)，N為元素個數
• 有序，可以方便的根據順序進行查找和操作，如第一個，最后一個，某一取值范圍，某一值的近鄰元素。

 

LinkedHashMap

• LinkedHashMap是HashMap的子類，內部有一個雙向鏈表維護鍵值對的順序，每個鍵值對既位於哈希表中，也位於這個雙向鏈表中。
• 雙向鏈表的結點LinkedHashMap.Entry繼承自HashMap.Entry，添加了before和after兩個引用參數，同時重寫了HashMap.Entry的recordAccess和recordRemoval方法以維護和hash表中節點的關系。
• LinkedHashMap支持兩種順序，一種是插入順序，另一種是訪問順序，默認情況下按插入有序，構造方法中accessOrder設為true的時候按訪問順序，可以用來實現LRU緩存（最近最少使用）

 

LinkedHashSet
LinkedHashMap也有一個對應的Set接口的實現類LinkedHashSet。LinkedHashSet是HashSet的子類，但它內部的Map的實現類是LinkedHashMap，所以它也可以保持插入順序

 

EnumMap
內部使用數組實現，構造方法需要傳入類型信息。允許值為null，為了區分null和沒有值，用一個靜態全局唯一的new Integer(0)值來作為沒有值

EnumSet
內部使用位向量實現，是一個抽象類，不能直接通過new關鍵字來新建，必須使用類似於noneOf的其他工廠方法方法創建一個指定枚舉類型的set，實際創建的對象是EnumSet的子類RegularEnumSet或JumboEnumSet。

具體子類類型根據傳入的枚舉類型枚舉值的數量來決定：

• 小於等於64返回維護一個long變量（long為64位）作為位向量的子類RegularEnumSet
• 大於64返回一個內部維護long數組作為位向量的子類JumboEnumSet

下面是一些工廠方法：

// 初始集合包括指定枚舉類型的所有枚舉值
<E extends Enum<E>> EnumSet<E> allOf(Class<E> elementType)
// 初始集合包括枚舉值中指定范圍的元素
<E extends Enum<E>> EnumSet<E> range(E from, E to)
// 初始集合包括指定集合的補集
<E extends Enum<E>> EnumSet<E> complementOf(EnumSet<E> s)
// 初始集合包括參數中的所有元素
<E extends Enum<E>> EnumSet<E> of(E e)
<E extends Enum<E>> EnumSet<E> of(E e1, E e2)
<E extends Enum<E>> EnumSet<E> of(E e1, E e2, E e3)
<E extends Enum<E>> EnumSet<E> of(E e1, E e2, E e3, E e4)
<E extends Enum<E>> EnumSet<E> of(E e1, E e2, E e3, E e4, E e5)
<E extends Enum<E>> EnumSet<E> of(E first, E... rest)
// 初始集合包括參數容器中的所有元素
<E extends Enum<E>> EnumSet<E> copyOf(EnumSet<E> s)
<E extends Enum<E>> EnumSet<E> copyOf(Collection<E> c)