在 Java 的开发中，HashMap 是一个非常常用且重要的数据结构。它实现了 Map 接口，以键值对 (key-value pair) 的形式存储数据，并通过 哈希表 (Hash Table) 来实现高效的存储和查找。
本文将深入探讨 HashMap 的核心功能、使用场景、底层原理和注意事项。
1. 什么是 HashMap？
HashMap 是 Java 集合框架中的一个类，位于 java.util 包下。它是一个 无序的键值对集合，主要特点如下：
- 基于哈希表，可以快速插入、删除和查找。
- 键不能重复，但值可以重复。
- 允许 null 值，即键和值都可以为
null。 - 非线程安全，多个线程操作需要额外的同步。
HashMap 的常见用途：
- 存储和快速查找数据，例如缓存数据。
- 实现关联数组或字典。
- 用作键值对存储的中间结构，例如统计字符频率。
2. HashMap 的基本操作
创建一个 HashMap
在 Java 中，可以通过以下方式创建 HashMap：
import java.util.HashMap;
public class Main {
public static void main(String[] args) {
// 创建一个 HashMap
HashMap<String, Integer> map = new HashMap<>();
// 添加键值对
map.put("Alice", 25);
map.put("Bob", 30);
map.put("Charlie", 35);
// 输出 HashMap
System.out.println(map);
}
}
输出示例：
{Alice=25, Bob=30, Charlie=35}
常见方法：
| 方法 | 作用 |
|---|---|
put(K key, V value) | 添加或更新键值对 |
get(Object key) | 根据键获取对应的值 |
containsKey(Object key) | 判断是否包含某个键 |
containsValue(Object value) | 判断是否包含某个值 |
remove(Object key) | 删除指定键及其对应的值 |
size() | 返回键值对的数量 |
isEmpty() | 判断 HashMap 是否为空 |
keySet() | 返回所有键的集合（Set 类型） |
values() | 返回所有值的集合（Collection 类型） |
entrySet() | 返回所有键值对的集合（Set<Map.Entry<K,V>> 类型） |
示例代码：
import java.util.HashMap;
public class Main {
public static void main(String[] args) {
HashMap<String, Integer> map = new HashMap<>();
// 添加元素
map.put("Alice", 25);
map.put("Bob", 30);
map.put("Charlie", 35);
// 获取元素
System.out.println("Bob's age: " + map.get("Bob"));
// 判断是否存在键和值
System.out.println("Contains key 'Alice': " + map.containsKey("Alice"));
System.out.println("Contains value 30: " + map.containsValue(30));
// 遍历 HashMap
System.out.println("All entries:");
for (var entry : map.entrySet()) {
System.out.println(entry.getKey() + " = " + entry.getValue());
}
// 删除元素
map.remove("Charlie");
System.out.println("After removing Charlie: " + map);
}
}
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输出：
Bob's age: 30
Contains key 'Alice': true
Contains value 30: true
All entries:
Alice = 25
Bob = 30
Charlie = 35
After removing Charlie: {Alice=25, Bob=30}
3. HashMap 的底层原理
HashMap 的高效性来自其底层的 哈希表 (Hash Table) 实现。了解其底层原理有助于更好地掌握它的使用场景和限制。
3.1 存储结构
HashMap底层是一个 数组，数组的每个位置存储一个 链表（JDK 1.7）或红黑树（JDK 1.8）。- 数组中的每个位置被称为 桶 (Bucket)。
3.2 存储过程
-
计算键的哈希值
使用键的hashCode()方法计算哈希值，然后通过哈希函数将其映射到数组的某个位置。index = hash(key) % arrayLength; -
解决哈希冲突
- 如果两个键映射到同一个桶，就会发生哈希冲突。
- JDK 1.7 使用链表解决冲突，冲突的键值对会被存储在链表的节点中。
- JDK 1.8 引入了红黑树，当链表长度超过 8 时，链表会转换为红黑树以提高性能。
-
扩容
当HashMap中的键值对数量超过阈值（默认是桶大小的0.75），HashMap会扩容为原来的两倍，并重新分配键值对的位置。
3.3 示例：存储原理
以下示例展示了 HashMap 的底层原理：
HashMap<String, Integer> map = new HashMap<>();
map.put("Alice", 25); // 哈希值映射到桶1
map.put("Bob", 30); // 哈希值映射到桶2
map.put("Eve", 35); // 哈希值映射到桶1，与 "Alice" 发生冲突
存储结构如下：
Bucket 0: null
Bucket 1: Alice -> Eve
Bucket 2: Bob
Bucket 3: null
当链表过长（长度 > 8）时：
Bucket 1: Alice -> Eve (链表转为红黑树)
4. HashMap 的优缺点
优点：
- 快速访问：通过哈希表实现，时间复杂度为 O(1)（理想情况下）。
- 灵活性：允许
null键和值，支持动态扩容。 - 丰富的 API：操作简便。
缺点：
- 线程不安全：需要手动同步（例如使用
Collections.synchronizedMap()或ConcurrentHashMap）。 - 空间占用高：为了减少冲突，
HashMap通常会预留更多空间。
5. HashMap 的注意事项
- 线程安全性：在多线程环境中，使用
ConcurrentHashMap代替HashMap。 - 哈希函数设计：避免过多的哈希冲突，以提升性能。
- 迭代期间修改：不要在遍历
HashMap时修改其内容，否则会抛出ConcurrentModificationException。
6. 小结
HashMap 是 Java 中最重要的数据结构之一，其高效性和灵活性使其在各种应用中大放异彩。然而，掌握其底层原理和适用场景至关重要。通过合理使用 HashMap，可以大大提升程序的性能和可维护性。
希望本文能帮助你更好地理解和使用 HashMap！如果你有其他问题或补充，欢迎留言讨论！