Java-数据结构（二）-Map：HashMap、TreeMap、LinkedHashMap

一、 引言

    Map是Java中常用的数据结构，它提供了一种键值对的存储方式，可以根据键来快速访问值。在本篇文章中，我将学习Java中的Map数据结构

    问题是最好的老师，我将从至少以下几个方面阐述，什么是map、使用Map有什么好处、Map的底层原理、map中的key和value分别是什么、以及Map的Key值为什么不能重复、Map中的key值和Hash有什么关系。

    以及对HashMap、TreeMap和LinkedHashMap三种常用的Map实现类进行了解。我将逐步解析它们的初始化、添加和获取元素、遍历和删除元素等功能，最后给出一个二维表进行结构化。

二、问题

2.1 什么是Map

    Map是Java中的一个接口，它代表了一种键值对的映射关系。它允许我们通过Key来访问Value。在Map中，每个Key都是唯一的，而且与该Key对应的Value是一一对应的关系。

2.2 使用Map的好处

    使用Map有很多好处，以下是其中几个重要的好处：

    快速访问：通过给定的Key，可以快速地访问对应的Value，无需遍历整个集合。
    灵活性：Map不仅可以存储基本数据类型的值，还可以存储自定义对象作为Value，这使得它非常灵活。
    动态增长：Map的大小可根据需要动态增长，不需要事先指定容量。
    数据分类：Map可以用于对数据进行分类、分组和存储，为后续的检索和处理提供了便利。

2.3 Map的底层原理

    在Java中，常用的Map实现类有HashMap、TreeMap和LinkedHashMap。这些实现类在底层的数据组织方式和查找算法上略有不同。

    HashMap使用散列表（Hash Table）作为底层数据结构，它通过把Key的Hash值映射到一个数组索引上，并使用链地址法解决Hash冲突。

    TreeMap使用红黑树（Red-Black Tree）作为底层数据结构，它会对Key进行排序，并且可以提供有序的遍历。

    LinkedHashMap继承自HashMap，它在HashMap的基础上通过维护一个双向链表来保证插入顺序或访问顺序。

    根据实际情况选择不同的Map实现类，可以根据需求来平衡时间复杂度和空间复杂度。

    下面将会了解这几个实现类的一些方法。

2.4 Key和Value的含义

在Map中，Key用于唯一标识一个键值对，它相当于数据的索引。Value则是与Key相关联的数据。对于同一个Key，只能有一个对应的Value，但是不同的Key可以对应不同的Value。

例如，我们可以创建一个Map，将每个人的名字作为Key，将他们的年龄作为Value。通过Key，我们可以快速地查找到对应的年龄。

2.5 Key值为什么不能重复

    Map中要求每个Key都是唯一的，这是因为Map需要通过Key来定位和访问Value。如果出现多个相同的Key，Map无法确定应该返回哪个Value。

    当我们使用put方法向Map中添加键值对时，如果Key已经存在，新的Value将会覆盖旧的Value。因此，Key的唯一性保证了在Map中定位Value的准确性。

2.6 Key值和Hash的关系

    Java中的HashMap和LinkedHashMap是通过计算Key的Hash值来确定Key在底层数组中的位置的。

    在HashMap中，当我们向其中插入一个键值对时，HashMap会首先通过Key的hashCode()方法计算Key的哈希值。然后，HashMap会根据哈希值对数组的长度取模，得到Key在底层数组中的索引位置。如果有多个Key的哈希值映射到同一个索引位置，则HashMap会使用链表或红黑树来处理冲突。

    而在LinkedHashMap中，它在HashMap的基础上通过维护一个双向链表来保证插入顺序或访问顺序。HashMap中的Key与链表节点相互关联，实现了按照插入顺序或访问顺序迭代Map的键值对。

    由此可见，Hash在Map中起到了定位Key的作用，通过计算Key的哈希值，可以快速地定位到Key在底层数组中的位置，从而提高了查找效率。同时，Hash值的唯一性也保证了Key在Map中的唯一性。

    由于Hash值是通过哈希函数计算得出的，存在一定的碰撞概率。因此，在使用自定义对象作为Key时，我们需要重写hashCode()方法来确保生成的Hash值能够准确地表示对象的唯一性，同时也要重写equals()方法来处理碰撞冲突时的比较逻辑。这样可以保证不同的Key对象即使在Hash值相同的情况下，也可以正确地进行比较和查找。

三、 HashMap

3.1 初始化HashMap

    在Java中，我们可以使用HashMap类来创建一个HashMap对象。下面是一些常见的初始化方法：

    使用默认构造函数：

HashMap<String, Integer> map = new HashMap<>();

    指定初始容量：

HashMap<String, Integer> map = new HashMap<>(16);

指定初始容量和加载因子：

HashMap<String, Integer> map = new HashMap<>(16, 0.75f);

3.2 添加和获取元素

    向HashMap中添加元素时，我们需要使用put()方法，并提供键和值。下面是一个示例：

HashMap<String, Integer> map = new HashMap<>();
map.put("apple", 5);
map.put("banana", 10);
map.put("orange", 8);

    获取HashMap中的元素可以使用get()方法，并提供键。下面是一个示例：

int appleCount = map.get("apple");
System.out.println("苹果数量：" + appleCount);

3.3 遍历HashMap

    遍历HashMap可以使用多种方式，比如使用迭代器、for–each循环或使用Java 8的Lambda表达式。下面是一个使用迭代器遍历HashMap的示例：

Iterator<Map.Entry<String, Integer>> iterator = map.entrySet().iterator();
while (iterator.hasNext()) {
    Map.Entry<String, Integer> entry = iterator.next();
    System.out.println("水果：" + entry.getKey() + "，数量：" + entry.getValue());
}

3.4 删除元素

    从HashMap中删除元素可以使用remove()方法，并提供键。下面是一个示例：

map.remove("banana");

3.5实现原理

①HashMap的put()方法

实现原理如下：

    首先，HashMap将要存储的键值对通过哈希函数进行处理，得到一个哈希码（hash code）。

    接下来，HashMap将根据哈希码找到该键值对应在内部数组中的索引位置。

    如果该位置上没有其他键值对存在，那么直接将新的键值对存储在该位置上即可。

    如果该位置上已经存在其他键值对，那么HashMap将采用链表或者红黑树的方式来处理冲突。它会在该位置上的键值对链表（或树）中依次比较存储的键的哈希码和键值是否与要存储的键值对相等。

    如果找到了相等的键，HashMap会替换该键对应的值。

    如果没有找到相等的键，HashMap会将新的键值对添加到链表（或树）的末尾。

②HashMap的get()方法

它的实现原理如下：

    首先，HashMap通过哈希函数计算键的哈希码。

    接下来，HashMap将根据哈希码找到该键对应在内部数组中的索引位置。

    如果该位置上没有键值对，那么表示该键不存在于HashMap中，返回null。

    如果该位置上存在键值对，HashMap会遍历链表（或树），比较存储的键的哈希码和键值是否与要获取的键值对相等。

    如果找到了相等的键，HashMap返回该键对应的值。

    如果遍历完链表（或树）都没有找到相等的键，那么表示该键不存在于HashMap中，返回null。

    通过这种方式，HashMap可以高效地实现put()和get()方法，快速存储和查找键值对，提供了快速的数据访问能力。

四、 TreeMap

4.1 初始化TreeMap

    与HashMap类似，我们可以使用TreeMap类来创建一个TreeMap对象。下面是一些常见的初始化方法：

    使用默认构造函数：

TreeMap<String, Integer> map = new TreeMap<>();

    使用Comparator初始化：

TreeMap<String, Integer> map = new TreeMap<>(Comparator.reverseOrder());

4.2 添加和获取元素

    添加和获取元素的方式与HashMap类似，使用put()方法添加元素，使用get()方法获取元素。

map.put("apple", 1);
map.put("banana", 2);
map.put("orange", 3);

int value = map.get("apple");
System.out.println(value);  // 输出：1

4.3 遍历TreeMap

    遍历TreeMap的方法与HashMap类似，可以使用迭代器、for-each循环或Lambda表达式。

    以下是使用for-each循环遍历TreeMap的例子：

for (Map.Entry<String, Integer> entry : map.entrySet()) {
    String key = entry.getKey();
    int value = entry.getValue();
    System.out.println(key + " : " + value);
}

4.4 删除元素

    从TreeMap中删除元素的方式与HashMap类似，使用remove()方法。

map.remove("banana");

五、 LinkedHashMap

5.1 初始化LinkedHashMap

    LinkedHashMap是一个有序的Map实现类，保留了元素的插入顺序。初始化方式与HashMap类似。

    使用默认构造函数：

LinkedHashMap<String, Integer> map = new LinkedHashMap<>();

5.2 添加和获取元素

    添加和获取元素的方式与HashMap类似，使用put()方法添加元素，使用get()方法获取元素。

map.put("apple", 1);
map.put("banana", 2);
map.put("orange", 3);

int value = map.get("apple");
System.out.println(value);  // 输出：1

5.3 遍历LinkedHashMap

    遍历LinkedHashMap的方法与HashMap类似，可以使用迭代器、for-each循环或Lambda表达式。

for (Map.Entry<String, Integer> entry : map.entrySet()) {
    String key = entry.getKey();
    int value = entry.getValue();
    System.out.println(key + " : " + value);
}

5.4 删除元素

    从LinkedHashMap中删除元素的方式与HashMap类似，使用remove()方法。

map.remove("banana");

六、二维表总结

    我们可以看到HashMap、TreeMap和LinkedHashMap都是非常有用和灵活的Map实现类，每种都适用于不同的使用场景。当我们需要一个无序、高效的Map时，可以选择HashMap；当我们需要一个有序的Map时，可以选择TreeMap；而当我们需要一个保留插入顺序、支持特殊操作的Map时，可以选择LinkedHashMap。

    因此，当我们需要使用Map数据结构时，我们可以根据具体需求选择合适的数据结构来解决问题。

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