Java容器深入浅出之Map、HashMap、Hashtable及其它实现类

在Java中，Set的底层事实上是基于Map实现的，Map内部封装了一个Entry内部接口，由实现类来封装key-value对，当value值均为null时，key的集合就形成了Set。因此，Map集合具有如下的一些特点：

1. Key集因为是Set的实现，因此是无顺序、不可重复的。

2. Value集是List的实现，因此是可以重复的，每个元素根据key来索引。

3. Map内部包含一个Entry内部接口，用于定义key-value对，由实现类来对外提供查找和设置value的方法。

Map的基本功能如下：

public class TestMapBasic {

    public static void main(String[] args) {
        Map<String, Integer> map = new HashMap<>();
        //添加键值对,value可重复
        map.put("AAA", 110);
        map.put("BBB", 120);
        map.put("CCC", 20);
        map.put("DDD", 120);
        //添加重复key的时候,value会覆盖旧值,方法返回旧值
        System.out.println(map.put("CCC", 111));
        System.out.println(map);
        //通过key和value查找是否存在对应的键\值
        System.out.println("map.containsKey(\"BBB\")?: " + map.containsKey("BBB"));
        System.out.println("map.containsValue(110)?: " + map.containsValue(110));
        //遍历Map的增强for循环
        for(String key:map.keySet()) {
            System.out.println(key + "-->" + map.get(key));
        }
        //根据key删除value
        map.remove("AAA");
        System.out.println(map);
    }
}

Map的Java8增强方法示例如下：

public class TestMapAdvance {

    public static void main(String[] args) {
        Map<String, Integer> map = new HashMap<>();
        //添加键值对,value可重复
        map.put("AAA", 110);
        map.put("BBB", 120);
        map.put("CCC", 20);
        map.put("DDD", 120);
        //因为map中无ZZZ,因此替换失败
        map.replace("ZZZ", 122);
        System.out.println(map);
        //使用原value与参入参数重新计算value
        map.merge("CCC", 20, (oldVal, param) -> (oldVal+param)*2);
        System.out.println(map);
        //当key为Java,对应的value不存在或null, 计算结果为新value
        map.computeIfAbsent("Java", (key) -> key.length());
        System.out.println(map);
        //当key为Java存在, 则用新结果替换
        map.computeIfPresent("Java", (key, value) -> value * 100);
        System.out.println(map);
    }
}

HashMap和Hashtable

HashMap和Hashtable都是Map接口的典型实现类，两者的区别在于：

1. HashMap是线程不安全的，性能较高，可以使用null作为key或者value

2. Hashtable是线程安全的，不可以用null做key和value。

与HashSet一样，HashMap和Hashtable不能保证key-value对的顺序，判断两个元素是否相等的标准为：

1. 两个key的equals方法比较返回true

2. 两个key的HashCode方法值相同

HashMap和Hashtable的containsValue()方法，用于判断是否包含指定的value，判断标准为两个value的equals方法相等即可。因此：

1. 使用自定义类作为Key时，如果重写equals和HashCode方法，需确保判断标准一致。

2. 尽量不要使用可变对象作为Key，如果确实需要则不要在程序中修改可变对象。

LinkedHashMap

LinkedHashMap在底层使用双链表来维护键值对的顺序，因而性能略低于HashMap，但在迭代集合元素时有较好的性能。

Properties

Properties是Hashtable的子类，相当于一个key和value都是String的Map。使用Properties可以方便地把属性文件的“属性名=属性值”转化为Map的键值对，还可以实现Map的键值对与XML文件之间的相互转化，广泛用于JDBC等应用场景中。

public class TestProperties {

    public static void main(String[] args) throws FileNotFoundException, IOException {
        Properties props = new Properties();
        //为Properties对象添加元素
        props.setProperty("username", "admin");
        props.setProperty("password", "123456");
        //写入文件
        props.store(new FileOutputStream("test.properties"), "comment line");
        Properties props2 = new Properties();
        props2.setProperty("gender", "male");
        //将文件中的内容追加到Props2的元素中
        props2.load(new FileInputStream("test.properties"));
        System.out.println(props2);
    }

}

TreeMap

TreeMap是SortedMap接口的实现类，同时也是TreeSet类的底层实现模型。因此具有与TreeSet相似的性质：

1. TreeMap底层由红黑树的数据结构所实现，每个键值对即为红黑树的一个节点。TreeMap存储键值对时，需要根据Key对节点进行排序。

2. TreeMap的排序方式包括两种：

2.1 自然排序：通过Key所实现的Comparable接口来实现，要求Key都是同一个类的对象

2.2 定制排序：创建TreeMap时，传入一个Comparator对象，负责对Key元素进行排序。

3. 如果使用自定义类作为Key，重写该类的equals方法和compareTo方法应该一致：equals方法返回true时，compareTo方法要返回0。

与HashSet相似，HashMap因为存储的键值对是有序的，因此提供了访问第一个、前一个、第一个、最后一个键值对的方法，以及若干截取子TreeMap的方法。

class R implements Comparable<Object>{
    
    int count;

    public R(int count) {
        super();
        this.count = count;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "R [count=" + count + "]";
    }

    @Override
    public boolean equals(Object obj) {
        if (this == obj)
            return true;
        if (obj == null)
            return false;
        if (getClass() != obj.getClass())
            return false;
        R other = (R) obj;
        if (count != other.count)
            return false;
        return true;
    }

    @Override
    public int compareTo(Object o) {
        R r = (R)o;
        return count > r.count ? 1: count < r.count ? -1 : 0;
    }
}

public class TestTreeMap {

    public static void main(String[] args) {
        TreeMap<R, String> tm = new TreeMap<>();
        tm.put(new R(3), "AAAA");
        tm.put(new R(-5), "BBB");
        tm.put(new R(9), "CCCCCC");
        System.out.println(tm);
        //返回第一个Entry对象
        System.out.println(tm.firstEntry());
        //返回最后一个Key
        System.out.println(tm.lastKey());
        //返回比R(2)大一个的Key
        System.out.println(tm.higherKey(new R(2)));
        //返回比R(2)小的一个Key
        System.out.println(tm.lowerKey(new R(2)));
        //获取子串
        System.out.println(tm.subMap(new R(-1), new R(4)));
        System.out.println(tm);    
    }
}

WeakHashMap

WeakHashMap与HashMap的用法基本相似，区别在于：

1. HashMap的Key保留的是对实际对象的强引用，只要HashMap对象不销毁，所有Key引用对象就不会被垃圾回收；HashMap也不会自动删除这些Key的键值对。

2. WeakHashMap的Key保留的是对实际对象的弱引用，意味着如果这些Key没有被其它强引用对象所引用，Key对象可能会被垃圾回收；WeakHashMap对象也可能会删除这些键值对。

public class TestWeakHashMap {

    public static void main(String[] args) {
        WeakHashMap<String, String> whm = new WeakHashMap<>();
        //添加的三个Key对象都是弱引用的匿名类对象
        whm.put(new String("Python"), new String("pass"));
        whm.put(new String("R"), new String("good"));
        whm.put(new String("Scala"), new String("great"));
        //添加一个系统缓存的字符串直接量, 为强引用对象,作为Key
        whm.put("Java", new String("Number One"));
        System.out.println(whm);
        //通知系统进行垃圾回收
        System.gc();
        System.runFinalization();
        //此时whm仅保留一个强引用的Java键值对
        System.out.println(whm);
    }
}

IdentityHashMap

IdentityHashMap与HashMap的基本性质和用法大致相同，如可以添加null元素，存储元素的无序性等。核心区别在于判断两个Key对象的标准：

IdentityHashMap严格要求两个Key必须是Key1 == Key2的严格相等，即堆内存地址相同。

public class TestIdentityHashMap {

    public static void main(String[] args) {
        IdentityHashMap<String, Integer> ihm = new IdentityHashMap<>();
        //两个new String对象,会被认为是不同的Key,一起添加到集合中
        ihm.put(new String("Python"), 100);
        ihm.put(new String("Python"), 98);
        //字符串直接量Java的内存地址相同,会被认为是同一个对象, 因此只会添加一个(覆盖前值)
        ihm.put("Java", 100);
        ihm.put("Java", 11);
        System.out.println(ihm);
    }
}

总结

一般的使用中，为了获取较方便的快速查询，使用HashMap较多。特别地，如果需要一个总是排好序的Key-Value集合，则考虑TreeMap。通过TreeMap的KeySet可以直接获取Key集合，然后通过Arrays的工具类转为数组，就可以通过二分法快速查找已经排序完成的对象。