Java基础----集合（四）Map接口（map结构、HashMap、LinkedHashMap常用方法）

2023-10-29

1.Map接口概述

Map与Collection并列存在。用于保存具有映射关系的数据:key-value
Map 中的 key 和 value都可以是任何引用类型的数据
Map 中的 key 用Set来存放，不允许重复，即同一个 Map 对象所对应的类，须重写hashCode()和equals()方法
常用String类作为Map的“键”
key 和 value 之间存在单向一对一关系，即通过指定的 key 总能找到唯一的、确定的 value
Map接口的常用实现类：HashMap、TreeMap、LinkedHashMap和 Properties。其中，HashMap是 Map接口使用频率最高的实现类

2.Map的结构框架

   |----Map:双列数据，存储key-value对的数据   ---类似于函数：y = f(x)
          |----HashMap:作为Map的主要实现类；线程不安全的，效率高；存储null的key和value
         		 |----LinkedHashMap:保证在遍历map元素时，可以按照添加的顺序实现遍历。
                       原因：在原有的HashMap底层结构基础上，添加了一对指针，指向前一个和后一个元素。
                       对于频繁的遍历操作，此类执行效率高于HashMap。
          |----TreeMap:保证按照添加的key-value对进行排序，实现排序遍历。此时考虑key的自然排序或定制排序
                       底层使用红黑树
          |----Hashtable:作为古老的实现类；线程安全的，效率低；不能存储null的key和value
               |----Properties:常用来处理配置文件。key和value都是String类型

在这里插入图片描述

Map结构理解

Map中的key:无序的、不可重复的，使用Set存储所有的key —> key所在的类要重写equals()和hashCode()（以HashMap为例）
Map中的value:无序的、可重复的，使用Collection存储所有的value —>value所在的类要重写equals()
一个键值对：key-value构成了一个Entry对象。
Map中的entry:无序的、不可重复的，使用Set存储所有的entry

3.HashMap及其底层实现原理

HashMap是 Map 接口使用频率最高的实现类。允许使用null键和null值，与HashSet一样，不保证映射的顺序。
HashMap 判断两个 key 相等的标准是：两个 key 通过 equals() 方法返回 true， hashCode 值也相等。
HashMap 判断两个 value相等的标准是：两个 value 通过 equals() 方法返回 true。

HashMap的存储结构：
JDK 7及以前版本：HashMap是数组+链表结构(即为链地址法)
JDK 8版本以后：HashMap是数组+链表+红黑树实现。

HashMap的底层实现原理（jdk7）

		HashMap map = new HashMap():
       在实例化以后，底层创建了长度是16的一维数组Entry[] table。
       ...可能已经执行过多次put...
       map.put(key1,value1):
       首先，调用key1所在类的hashCode()计算key1哈希值，此哈希值经过某种算法计算以后，得到在Entry数组中的存放位置。
       如果此位置上的数据为空，此时的key1-value1添加成功。 ----情况1
       如果此位置上的数据不为空，(意味着此位置上存在一个或多个数据(以链表形式存在)),比较key1和已经存在的一个或多个数据
       的哈希值：
               如果key1的哈希值与已经存在的数据的哈希值都不相同，此时key1-value1添加成功。----情况2
               如果key1的哈希值和已经存在的某一个数据(key2-value2)的哈希值相同，继续比较：调用key1所在类的equals(key2)方法，比较：
                       如果equals()返回false:此时key1-value1添加成功。----情况3
                       如果equals()返回true:使用value1替换value2。

其中，关于情况2和情况3：此时key1-value1和原来的数据以链表的方式存储。
在不断的添加过程中，会涉及到扩容问题，当超出临界值(且要存放的位置非空)时，扩容。默认的扩容方式：扩容为原来容量的2倍，并将原有的数据复制过来。

jdk8相较于jdk7在底层实现方面的不同：

	   1. new HashMap():底层没有创建一个长度为16的数组
       2. jdk 8底层的数组是：Node[],而非Entry[]
       3. 首次调用put()方法时，底层创建长度为16的数组
       4. jdk7底层结构只有：数组+链表。jdk8中底层结构：数组+链表+红黑树。
          4.1 形成链表时，七上八下（jdk7:新的元素指向旧的元素。jdk8：旧的元素指向新的元素）
          4.2 当数组的某一个索引位置上的元素以链表形式存在的数据个数 > 8 且当前数组的长度 > 64时，此时此索引位置上的所数据改为使用红黑树存储。

HashMap源码中的重要常量：

DEFAULT_INITIAL_CAPACITY : HashMap的默认容量，16
DEFAULT_LOAD_FACTOR：HashMap的默认加载因子：0.75
threshold：扩容的临界值，=容量*填充因子：16 * 0.75 = 12
TREEIFY_THRESHOLD：Bucket中链表长度大于该默认值，转化为红黑树:8
MIN_TREEIFY_CAPACITY：桶中的Node被树化时最小的hash表容量:64

4.LinkedHashMap及其底层实现原理

LinkedHashMap 是 HashMap 的子类
在HashMap存储结构的基础上，使用了一对双向链表来记录添加元素的顺序
与LinkedHashSet类似，LinkedHashMap 可以维护 Map 的迭代顺序：迭代顺序与 Key-Value 对的插入顺序一致

底层源码：

static class Entry<K,V> extends HashMap.Node<K,V> {
             Entry<K,V> before, after;//能够记录添加的元素的先后顺序
             Entry(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
                super(hash, key, value, next);
             }
         }

5.Map接口常用方法

添加、删除、修改操作：

 Object put(Object key,Object value)：将指定key-value添加到(或修改)当前map对象中  
 void putAll(Map m):将m中的所有key-value对存放到当前map中  
 Object remove(Object key)：移除指定key的key-value对，并返回value  
 void clear()：清空当前map中的所有数据

元素查询的操作：

Object get(Object key)：获取指定key对应的value  
boolean containsKey(Object key)：是否包含指定的key  
boolean containsValue(Object value)：是否包含指定的value  
int size()：返回map中key-value对的个数  
boolean isEmpty()：判断当前map是否为空  
boolean equals(Object obj)：判断当前map和参数对象obj是否相等

元视图操作的方法：

 Set keySet()：返回所有key构成的Set集合  
 Collection values()：返回所有value构成的Collection集合  
 Set entrySet()：返回所有key-value对构成的Set集合

具体操作代码：

public class MapTest {

    @Test
    public void test1(){
        Map map = new HashMap();
        map.put(null, 123);
    }
    
    @Test
    public void test2(){
        Map map = new HashMap();
        map = new LinkedHashMap();
        map.put(123, "aa");
        map.put(345, "bb");
        map.put(12, "cc");
        System.out.println(map);
    }

    /*
     添加、删除、修改操作：
 Object put(Object key,Object value)：将指定key-value添加到(或修改)当前map对象中
 void putAll(Map m):将m中的所有key-value对存放到当前map中
 Object remove(Object key)：移除指定key的key-value对，并返回value
 void clear()：清空当前map中的所有数据
     */
    @Test
    public void test3(){
        Map map = new HashMap();
        //添加
        map.put("AA",123);
        map.put(45,123);
        map.put("BB",56);
        map.put("aa", 12);
        //修改
        map.put("AA",87);
        map.put("aa",21);

        System.out.println(map);

        Map map1 = new HashMap();
        map1.put("CC",123);
        map1.put("DD",123);
        map1.put(11, 123);

        map.putAll(map1);

        System.out.println(map);

        //remove(Object key)
        Object value = map.remove("CC");
        System.out.println(value);
        System.out.println(map);

        //clear()
        map.clear();//与map = null操作不同
        System.out.println(map.size());
        System.out.println(map);
    }
    
        /*
 元素查询的操作：
 Object get(Object key)：获取指定key对应的value
 boolean containsKey(Object key)：是否包含指定的key
 boolean containsValue(Object value)：是否包含指定的value
 int size()：返回map中key-value对的个数
 boolean isEmpty()：判断当前map是否为空
 boolean equals(Object obj)：判断当前map和参数对象obj是否相等
     */
    @Test
    public void test4(){
        Map map = new HashMap();
        map.put("AA",123);
        map.put(45,123);
        map.put("BB",56);
        // Object get(Object key)
        System.out.println(map.get(45));
        //containsKey(Object key)
        boolean isExist = map.containsKey("BB");
        System.out.println(isExist);

        isExist = map.containsValue(123);
        System.out.println(isExist);

        map.clear();

        System.out.println(map.isEmpty());

    }

        /*
 元视图操作的方法：
 Set keySet()：返回所有key构成的Set集合
 Collection values()：返回所有value构成的Collection集合
 Set entrySet()：返回所有key-value对构成的Set集合

     */


    @Test
    public void test5(){
        Map map = new HashMap();
        map.put("AA",123);
        map.put(45,1234);
        map.put("BB",56);

        //遍历所有的key集：keySet()
        Set set = map.keySet();
        Iterator iterator = set.iterator();
        while (iterator.hasNext()){
            System.out.println(iterator.next());
        }
        //遍历所有的value集：values()
        Collection values = map.values();
        for(Object obj : values){
            System.out.println(obj);
        }
        System.out.println();
        //遍历所有的key-value
        //方式一：entrySet()
        Set entrySet = map.entrySet();
        Iterator iterator1 = entrySet.iterator();
        while (iterator1.hasNext()){
            Object obj = iterator1.next();
            //entrySet集合中的元素都是entry
            Map.Entry entry = (Map.Entry) obj;
            System.out.println(entry.getKey() + "---->" + entry.getValue());

        }
        System.out.println();
        //方式二：
        Set keySet = map.keySet();
        Iterator iterator2 = keySet.iterator();
        while(iterator2.hasNext()){
            Object key = iterator2.next();
            Object value = map.get(key);
            System.out.println(key + "=====" + value);

        }

    }
}

6.TreeMap、Hashtable、Properties概述

TreeMap：

TreeMap存储 Key-Value 对时，需要根据 key-value 对进行排序。TreeMap 可以保证所有的 Key-Value 对处于有序状态。
TreeSet底层使用红黑树结构存储数据
TreeMap 的 Key 的排序：
1.自然排序：TreeMap 的所有的 Key 必须实现 Comparable 接口，而且所有的 Key 应该是同一个类的对象，否则将会抛出ClasssCastException
2 定制排序：创建 TreeMap 时，传入一个 Comparator 对象，该对象负责对 TreeMap 中的所有 key 进行排序。此时不需要 Map 的 Key 实现 Comparable 接口
TreeMap判断两个key相等的标准：两个key通过compareTo()方法或者compare()方法返回0。

public class TreeMapTest {

    //向TreeMap中添加key-value，要求key必须是由同一个类创建的对象
    //因为要按照key进行排序：自然排序 、定制排序
    
    //自然排序
    @Test
    public void test1(){
        TreeMap map = new TreeMap();
        //User类实现了comparable接口，重写compareTo()方法
        User u1 = new User("Tom",23);
        User u2 = new User("Jerry",32);
        User u3 = new User("Jack",20);
        User u4 = new User("Rose",18);

        map.put(u1,98);
        map.put(u2,89);
        map.put(u3,76);
        map.put(u4,100);

        Set entrySet = map.entrySet();
        Iterator iterator1 = entrySet.iterator();
        while (iterator1.hasNext()){
            Object obj = iterator1.next();
            Map.Entry entry = (Map.Entry) obj;
            System.out.println(entry.getKey() + "---->" + entry.getValue());

        }
    }

    //定制排序
    @Test
    public void test2(){
        TreeMap map = new TreeMap(new Comparator() {
            @Override
            public int compare(Object o1, Object o2) {
                if(o1 instanceof User && o2 instanceof User){
                    User u1 = (User)o1;
                    User u2 = (User)o2;
                    return Integer.compare(u1.getAge(),u2.getAge());
                }
                throw new RuntimeException("输入的类型不匹配！");
            }
        });
        User u1 = new User("Tom",23);
        User u2 = new User("Jerry",32);
        User u3 = new User("Jack",20);
        User u4 = new User("Rose",18);

        map.put(u1,98);
        map.put(u2,89);
        map.put(u3,76);
        map.put(u4,100);

        Set entrySet = map.entrySet();
        Iterator iterator1 = entrySet.iterator();
        while (iterator1.hasNext()){
            Object obj = iterator1.next();
            Map.Entry entry = (Map.Entry) obj;
            System.out.println(entry.getKey() + "---->" + entry.getValue());

        }
    }
}

Hashtable：

Hashtable是个古老的 Map 实现类，JDK1.0就提供了。不同于HashMap， Hashtable是线程安全的。
Hashtable实现原理和HashMap相同，功能相同。底层都使用哈希表结构，查询速度快，很多情况下可以互用。
与HashMap不同，Hashtable 不允许使用 null 作为 key 和 value
与HashMap一样，Hashtable 也不能保证其中 Key-Value 对的顺序
Hashtable判断两个key相等、两个value相等的标准，与HashMap一致。

Properties：

Properties 类是 Hashtable 的子类，该对象用于处理属性文件
由于属性文件里的 key、value 都是字符串类型，所以 Properties 里的 key 和 value 都是字符串类型
存取数据时，建议使用setProperty(String key,String value)方法和 getProperty(String key)方法

//Properties常用来处理配置文件，key和value都是string类型
Properties pro = new Properties();
FileInputStream fis = new FileInputStream("jdbc.properties");
pro.load(fis);//加载流文件

String name = pro.getProperty("name");
String password = pro.getProperty("password");

System.out.println("name = "+ name + " password = "+ password);

7. Collections工具类

Collections 是一个操作 Set、List 和 Map 等集合的工具类。
Collections 中提供了一系列静态的方法对集合元素进行排序、查询和修改等操作，还提供了对集合对象设置不可变、对集合对象实现同步控制等方法。

Collections常用方法：

排序操作： 
reverse(List)：反转 List 中元素的顺序 
shuffle(List)：对 List 集合元素进行随机排序 
sort(List)：根据元素的自然顺序对指定 List 集合元素按升序排序 
sort(List，Comparator)：根据指定的 Comparator 产生的顺序对 List 集合元素进行排序 
swap(List，int， int)：将指定 list 集合中的 i 处元素和 j 处元素进行交换


查找、替换：
Object max(Collection)：根据元素的自然顺序，返回给定集合中的最大元素
Object max(Collection，Comparator)：根据 Comparator 指定的顺序，返回给定集合中的最大元素
Object min(Collection)
Object min(Collection，Comparator)
int frequency(Collection，Object)：返回指定集合中指定元素的出现次数
void copy(List dest,List src)：将src中的内容复制到dest中
boolean replaceAll(List list，Object oldVal，Object newVal)：使用新值替换 List 对象的所有旧值

public void test1(){
        List list = new ArrayList();
        list.add(123);
        list.add(43);
        list.add(765);
        list.add(765);
        list.add(765);
        list.add(-97);
        list.add(0);

        System.out.println(list);

//        Collections.reverse(list);
//        Collections.shuffle(list);
//        Collections.sort(list);
//        Collections.swap(list,1,2);
        int frequency = Collections.frequency(list, 123);

        System.out.println(list);
        System.out.println(frequency);

    }
    public void test2(){
        List list = new ArrayList();
        list.add(123);
        list.add(43);
        list.add(765);
        list.add(-97);
        list.add(0);
		//copy()方法使用
		
        //报异常：IndexOutOfBoundsException("Source does not fit in dest")
//        List dest = new ArrayList();
//        Collections.copy(dest,list);
        //正确的：
        List dest = Arrays.asList(new Object[list.size()]);
        System.out.println(dest.size());//list.size();
        Collections.copy(dest,list);

        System.out.println(dest);
    }

Collections常用方法：同步控制：
Collections 类中提供了多个 synchronizedXxx() 方法，该方法可使将指定集合包装成线程同步的集合，从而可以解决多线程并发访问集合时的线程安全问题。

		//返回的list1即为线程安全的List
        List list1 = Collections.synchronizedList(list);

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