Java集合 - HashMap

HashMap 是 Java 集合框架中的一个重要类,位于 java.util 包中。它实现了 Map 接口,基于哈希表的数据结构来存储键值对(key-value pairs)。HashMap 允许使用 null 作为键和值,并且是非同步的(非线程安全的),null键在HashMap中只能存在一个。

1. 主要特点

  1. 键值对存储HashMap 存储的是键值对,每个键对应一个值。

  2. 无序HashMap 不保证元素的顺序,即插入顺序和遍历顺序不一定一致。

  3. 允许 null 键和 null 值HashMap 允许一个 null 键和多个 null 值。

  4. 非线程安全HashMap 不是线程安全的,如果在多线程环境中使用,需要外部同步。

  5. 基于哈希表HashMap 使用哈希表来存储数据,通过哈希函数计算键的哈希值,并将其映射到表中的某个位置。

2. 核心方法

  • put(K key, V value):将指定的键值对插入到 HashMap 中。如果键已经存在,则更新对应的值。

  • get(Object key):返回指定键所映射的值,如果键不存在则返回 null

  • remove(Object key):删除指定键对应的键值对。

  • containsKey(Object key):判断 HashMap 中是否包含指定的键。

  • containsValue(Object value):判断 HashMap 中是否包含指定的值。

  • keySet():返回 HashMap 中所有键的集合。

  • values():返回 HashMap 中所有值的集合。

  • entrySet():返回 HashMap 中所有键值对的集合。

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;public class HashMapExample {public static void main(String[] args) {// 创建一个HashMapMap<String, Integer> map = new HashMap<>();// 添加键值对map.put("Alice", 25);map.put("Bob", 30);map.put("Charlie", 35);// 获取值System.out.println("Alice's age: " + map.get("Alice")); // 输出: 25// 遍历HashMapfor (Map.Entry<String, Integer> entry : map.entrySet()) {System.out.println(entry.getKey() + " is " + entry.getValue() + " years old.");}// 删除键值对map.remove("Bob");System.out.println("After removing Bob: " + map);// 判断是否包含键System.out.println("Contains key 'Alice': " + map.containsKey("Alice")); // 输出: true// 判断是否包含值System.out.println("Contains value 35: " + map.containsValue(35)); // 输出: true}
}

3. 底层原理

HashMap的底层使用hash表,即散列表数据结构(数组 链表或红黑树)

1. 当我们往HashMapput元素时,利用keyhashCode重新hash计算出当前对象的元素在数组中的下标

2. 存储时,如果出现hash值相同的key,此时有两种情况。

   a. 如果key相同,则覆盖原始值;

   b. 如果key不同(出现冲突),则将当前的key-value放入链表或红黑树中

3. 获取时,直接找到hash值对应的下标,在进一步判断key是否相同,从而找到对应值。

当两个键的哈希值映射到同一个桶时,会发生哈希冲突。HashMap通过以下方式解决冲突:

  • 链表:在 Java 8 之前,冲突的键值对以链表形式存储。

  • 红黑树:在 Java 8 及以后,当链表长度超过阈值(默认是 8)时,链表会转换为红黑树,以提高查找效率。

在 Java 8 中,HashMap 引入了红黑树来优化性能。当链表长度超过阈值(默认是 8)时,链表会转换为红黑树;当红黑树的节点数减少到一定阈值(默认是 6)时,红黑树会退化为链表。

3.1 为什么引入红黑树?

  • 链表的时间复杂度是 O(n),而红黑树的时间复杂度是 O(log n)。

  • 当哈希冲突严重时,红黑树可以显著提高查找效率。

4. 扩容机制

HashMap的容量是动态调整的,当元素数量超过当前容量与负载因子的乘积时,会触发扩容(resize)。

4.1 负载因子

  • 负载因子(load factor)是一个浮点数,默认是 0.75。

  • 它表示 HashMap 在扩容之前可以达到的填充比例。例如,默认容量是 16,负载因子是 0.75,则当元素数量超过 16 * 0.75 = 12 时,会触发扩容。

4.2 扩容过程

  1. 创建一个新的数组,容量是原数组的 2 倍。

  2. 将原数组中的键值对重新哈希到新数组中。

  3. 重新哈希时,键值对可能会被分配到新的位置。

5. 线程安全

HashMap是非线程安全的(相对比线程安全的HashTable),如果要在线程安全的情况下使用HashMap,有下面几种方式。

1. 使用Collections的方法synchronizedMap

Java 提供了 Collections.synchronizedMap 方法,可以将 HashMap 包装成一个线程安全的 Map

// 创建一个普通的HashMap
Map<String, Integer> map = new HashMap<>();// 使用Collections.synchronizedMap包装HashMap
Map<String, Integer> synchronizedMap = Collections.synchronizedMap(map);

Collections.synchronizedMap 返回一个同步的 Map,内部通过一个全局锁(mutex)来保证线程安全。所有对 Map 的操作(如 putgetremove 等)都会被同步。

2. 使用 ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap 是 Java 提供的线程安全的哈希表实现,专门为高并发场景设计。

// 创建一个ConcurrentHashMap
Map<String, Integer> concurrentMap = new ConcurrentHashMap<>();

ConcurrentHashMap 使用分段锁(Java 7)或 CAS + synchronized(Java 8 及以后)来实现线程安全。在 Java 8 中,ConcurrentHashMap 采用了更细粒度的锁机制,每个桶(bucket)独立加锁,减少了锁竞争。

3. 手动加锁

如果需要对 HashMap 进行更灵活的控制,可以手动加锁(ReentrantLock 或 synchronized)。

private final Map<String, Integer> map = new HashMap<>();
private final Lock lock = new ReentrantLock();public void put(String key, Integer value) {lock.lock();try {map.put(key, value);} finally {lock.unlock();}
}public Integer get(String key) {lock.lock();try {return map.get(key);} finally {lock.unlock();}
}

4. 使用 Hashtable

Hashtable 是 Java 早期提供的线程安全的哈希表实现。Hashtable 的所有方法都是同步的(使用 synchronized 关键字)。但是HashTable性能较差,因为所有操作都需要竞争同一把锁。已经过时,不推荐使用。

小结

在实际开发中,ConcurrentHashMap 是最推荐的方式,因为它既能保证线程安全,又能提供优异的性能。如果并发需求不高,可以使用 Collections.synchronizedMap。 

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