Java入門記(五)：容器關係的梳理（下）——Map

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注意：閱讀本文及相關源碼時，需要資料結構相關知識，包括：雜湊表、鏈表、紅/黑樹狀結構。

 

　　Map是將鍵(key)映射到值(value)的對象。不同的映射不能包含相同的鍵；每個鍵最多隻能映射到一個值。是常見Map的介面和實現。與Collection相比，繼承關係簡單不少。

一、Map介面和AbstractMap抽象類別

　　Map介面除了增加映射、根據key擷取value、判斷映射中的key或value是否存在、刪除映射的基本方法外，還包含了返回包含所有key的Set、包含所有value的collection的方法。由於key不能重複，返回的Collection自然具有Set的屬性，很適合用Set返回。而value則不行。

　　與其他Collection介面不同，Map介面中有一個子介面：Entry。Entry代表了一個映射，包含了key和value兩部分，同時，一個Enry的key沒有提供修改方法，而value允許修改。需要說明的是，如果用一個可變對象作為Map的key，若變化後equals()與之前的行為不同，那麼映射的行為是不確定的（JDK1.6文檔）。

　　對於抽象類別AbstractMap，大部分實現的方法藉助了將所有entry組成的set返回的抽象方法entrySet()：size()、isEmpty()（使用size()）、containsValue()、containsKey()、get()、clear()、keySet()、values()等。而remove()、removeAll()、retainAll()、clear()、toString()則藉助了抽象方法iterator()。

　　values()傳回值value的是一個匿名內部類實現的AbstractCollection。value在第一次訪問時建立，在後續所有訪問中返回。雖然不進行元素的同步，其引用幾乎總是不變的，但傳回值的行為會隨著Map中的元素變化：

 

public Collection<V> values() {    if (values == null) {        values = new AbstractCollection<V>() {        　　public Iterator<V> iterator() {           　　return new Iterator<V>() {            　　private Iterator<Entry<K,V>> i = entrySet().iterator();            　　public boolean hasNext() {                　　return i.hasNext();            　　}            　　public V next() {              　　  return i.next().getValue();            　　}            　　public void remove() {              　　  i.remove();            　　}          　　};            }        　　public int size() {           　　return AbstractMap.this.size();        　　}        　　public boolean contains(Object v) {           　　 return AbstractMap.this.containsValue(v);        　　 }        };    }    return values;}

 

　　對於Map.Entry，AbstractMap中實現了兩個索引值對類型：SimpleEntry和SimpleImmutableEntry。後者與前者的區別是，不允許setValue()，調用該方法拋出UnsupportedOperationException異常。

二、HashMap/LinkedHashMap/WeakHashMap

 　　在Java入門記(四)：容器關係的梳理（上）——Collection一文中提到，HashSet/LinkedHashSet的底層實際是HashMap/LinkedHashMap。HashMap和一般的散列表實現方式相同，用數組存放相同雜湊值的元素所組成隊列的首元素，隊列的元素是Entry，包括了key、value、hash值、next等屬性。尋找指定key時，先做雜湊，根據雜湊值找到數組中對應的隊列頭，遍曆隊列找出key及對應的value。

　　由於HashMap允許null作為key，這個key沒辦法做雜湊值的計算，只能遍曆雜湊值數組，找到首元素的key為null的隊列。這個實現可以參考私人方法getForNullKey()。

　　HashMap的key的雜湊值數組有一個容量限制：必須為2的冪次。即使在建立HashMap時或調用resize()時指定一個非2的冪次的容量，實際調用時新的HashMap容量也會擴大到不小於這個指定容量的2的冪次的值。與之相關聯地，雜湊值的計算hash()和某個hash值在數組的索引的計算indexFor()方式為：

static int hash(int h) {        // This function ensures that hashCodes that differ only by        // constant multiples at each bit position have a bounded        // number of collisions (approximately 8 at default load factor).        h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);        return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);}

static int indexFor(int h, int length) {    return h & (length-1);}

2的冪次可以保證計算索引時適當的截斷（捨棄高位）。

 　　LinkedHashMap與HashMap的關係並不像LinkedList和ArrayList那樣。從結構上來看，LinkedHashMap僅僅是把所有的Entry組成了一個雙向鏈表。這樣，在迭代遍曆時，可以使用插入順序或LRU順序訪問所有元素（通過設定accessOrder標記位）。

　　WeakHashMap和HashMap很類似，其內部包含了一個ReferenceQueue，並且它的Entry是繼承自WeakReference的。通過這種方式，在clear()、resize()、size()、getTable()時，都會調用expungeStaleEntries()方法，記憶體回收掉不再使用的映射關係。這裡不介紹Reference的相關內容了。

　　思考下上一篇文章所提出的問題：是不是可以先實現HashSet，再用HashSet實現HashMap？個人認為，這樣實現的HashSet中的元素（對應Map的Entry），只有鍵沒有值，是無法直接實現HashMap的。

二、Hashtable/Properties

　　Hashtable雖然實現了Map介面，但沒有用AbstractMap來做。它的行為與HashMap很相似，保留下來是為了相容原來的代碼，不推薦繼續使用。

　　繼承了Hashtable<Object,Object>的Properties稍有點不同，它與流的關係密切些，可儲存在流中或從流中載入。另外，它是安全執行緒的。

三、SortedMap和TreeMap

　　SortedMap中的所有元素都是排過序的。這個“排序”不同於LinkedHashMap中將所有元素組織成一個鏈表，而是指任意任意兩個元素都可以比較大小關係，並根據這個比較規則Comparator進行排序。更準確的說，是鍵的大小關係。建立在有序的基礎上，SortedMap介面中包含了返回部分Map的方法subMap(K fromKey, K toKey)、headMap(K toKey)、tailMap(K fromKey)以及首尾key的方法firstKey()、lastKey()。

　　TreeMap是SortedMap的一個實現，其Compartor可以為null，這種情況下比較元素大小時調用元素自身的compareTo()方法。

　　TreeMap實際上使用了紅/黑樹狀結構，儲存了樹的根。關於紅/黑樹狀結構的演算法，講起來可以單獨開一篇文章，這裡不展開了，想瞭解的讀者可以讀下《演算法導論》的相關章節。TreeMap的元素插入、刪除其實是紅/黑樹狀結構節點的插入和刪除。在元素有序的前提下，找到特定的key（以及對應的value）同樣是使用了紅/黑樹狀結構的尋找方法。

Java入門記(五)：容器關係的梳理（下）——Map