Java集合框架详解：List、Set、Map及其实现类的使用与特性 第三章

目录

一、Java Map接口及其常见实现类

Map接口定义与特性

HashMap

TreeMap

LinkedHashMap

Hashtable与ConcurrentHashMap

一、Java Map接口及其常见实现类

Map接口定义与特性

Map接口是Java集合框架中的一个重要接口，它提供了一种键值对（Key-Value Pair）的存储结构。Map的主要特点和特性包括：

1. 键值对存储：Map中的每个元素都包含一个唯一的键（Key）和与之关联的值（Value）。键和值可以是任何非null的对象，但键必须唯一，即一个Map中不能有两个相同的键。

2. 键唯一：Map通过键来访问与其关联的值，因此键必须具有良好的散列性（对于HashMap等基于哈希表的实现）或可比较性（对于TreeMap等基于排序树的实现）。当尝试插入或替换具有相同键的新元素时，旧值将被覆盖。

3. 常用方法：Map接口提供了丰富的操作方法，如put(key, value)插入键值对、get(key)通过键获取值、remove(key)删除键值对、containsKey(key)检查是否存在指定键、size()返回元素数量等。此外，还有clear()清空Map、isEmpty()检查是否为空、keySet()获取所有键组成的Set视图、values()获取所有值组成的Collection视图、entrySet()获取所有键值对组成的Set视图等。

4. 遍历方式：

   • 迭代器遍历：通过调用entrySet().iterator()获取迭代器，然后使用hasNext()和next()遍历所有键值对。每个键值对以Map.Entry<K, V>形式呈现，可以访问其getKey()、getValue()等方法。
   • 增强for循环遍历：使用for (Map.Entry<K, V> entry : map.entrySet())语句遍历所有键值对。
   • Stream API遍历：Java 8及以上版本引入了Stream API，可通过map.entrySet().stream()创建键值对的Stream，进而进行链式操作（如过滤、映射、聚合等）。

HashMap

HashMap是Map接口最常用的实现类之一，其基于哈希表（Hash Table）实现。特点和适用场景如下：

1. 实现原理：HashMap内部使用数组+链表/红黑树（Java 8引入）的数据结构。每个键值对存储在一个称为桶（Bucket）的结构中，通过键的哈希码（hashCode）确定其在数组中的索引。当多个键哈希到同一个桶时，形成链表或红黑树（当链表长度超过阈值时转换为树）。

2. 优点：

   • 查找速度快：通过哈希函数快速定位键值对，平均时间复杂度接近O(1)。
   • 空间效率较高：不需要额外的空间存储元素之间的关系，仅需存储键值对本身。

3. 缺点：

   • 不保证元素顺序：插入和访问元素的顺序与实际存储顺序可能不一致，且顺序会随操作动态变化。
   • 线程不安全：在多线程环境下未做同步控制，如需在并发环境中安全使用，应选用ConcurrentHashMap或手动同步。

4. 适用场景：适用于对插入、删除、查找等操作有较高性能要求，且不关心元素顺序，且仅在单线程或已做外部同步的情况下使用的场景。

TreeMap

TreeMap基于红黑树（Red-Black Tree）实现，提供自动排序功能。特点和适用场景如下：

1. 实现原理：TreeMap内部使用红黑树存储键值对，键必须实现Comparable接口（或提供Comparator）。红黑树保证了键的有序性，且插入、删除、查找等操作具有对数时间复杂度（O(log n)）。

2. 优点：

   • 自动排序：键按自然顺序或自定义比较器顺序排列，可以通过firstKey()、lastKey()、subMap()等方法方便地进行范围查询。
   • 查询效率稳定：相比HashMap，虽然平均查找时间稍慢，但不受哈希冲突影响，性能更为稳定。

3. 缺点：

   • 查询速度较HashMap慢：由于红黑树的性质，查找、插入、删除等操作的时间复杂度为O(log n)，比HashMap的平均O(1)略慢。
   • 线程不安全：与HashMap类似，未做线程同步，不适合在并发环境中直接使用。

4. 适用场景：适用于需要键按特定顺序排列，且对查找性能要求较高，但不苛求达到哈希表级别的性能，且在单线程或已做外部同步的场景。

LinkedHashMap

LinkedHashMap继承自HashMap，同时实现了java.util.LinkedHashMap接口，结合了HashMap与LinkedList的特点。特点和适用场景如下：

1. 特点：

   • 保持插入/访问顺序：默认情况下，LinkedHashMap维护键值对的插入顺序；通过构造函数指定accessOrder=true，可改为维护最近访问顺序（LRU缓存）。
   • 内部使用双向链表：除了哈希表结构外，每个键值对还链接在一个双向链表中，用于维护元素的顺序。

2. 优缺点：

   • 保留插入/访问顺序：便于按照插入或访问顺序遍历元素，且顺序不受后续操作影响。
   • 线程不安全：与HashMap和TreeMap一样，未提供线程同步。

3. 适用场景：适用于需要保持元素插入或访问顺序，且在单线程或已做外部同步的场景，如缓存、历史记录等。

Hashtable与ConcurrentHashMap

Hashtable是早期JDK提供的线程安全Map实现，与HashMap类似，但进行了同步处理。特点和适用场景如下：

1. 特点：
   • 线程安全：所有操作都经过同步，避免了多线程环境下的数据不一致问题。
   • 不推荐使用：由于同步粒度过粗（整个Map加锁），在高并发场景下性能较低，且不支持null键和null值。

ConcurrentHashMap是JDK 1.5引入的并发友好的Map实现，提供了细粒度的锁机制，提高了并发性能。特点和适用场景如下：

1. 特点：
   • 线程安全且高效：使用分段锁（Segment Lock）实现细粒度的并发控制，多个修改操作可以并行进行，性能优于同步的HashMap和Hashtable。
   • 支持null键和null值：与HashMap类似，允许插入null键和null值。

综上，Java中的Map接口及其常见实现类各有特点，选择时应根据实际需求（如是否需要排序、是否需要线程安全、是否在意插入/访问顺序等）和性能要求来决定使用哪一种。在并发环境中，优先考虑使用ConcurrentHashMap。