Java 集合系列14之 Map总结(HashMap, Hashtable, TreeMap, WeakHashMap等使用场景)

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概要

学完了Map的全部内容，我们再回头开开Map的框架图。

本章内容包括：
第1部分 Map概括
第2部分 HashMap和Hashtable异同
第3部分 HashMap和WeakHashMap异同

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第1部分 Map概括

(01) Map 是“键值对”映射的抽象接口。
(02) AbstractMap 实现了Map中的绝大部分函数接口。它减少了“Map的实现类”的重复编码。
(03) SortedMap 有序的“键值对”映射接口。
(04) NavigableMap 是继承于SortedMap的，支持导航函数的接口。
(05) HashMap, Hashtable, TreeMap, WeakHashMap这4个类是“键值对”映射的实现类。它们各有区别！

　　HashMap 是基于“拉链法”实现的散列表。一般用于单线程程序中。
　　Hashtable 也是基于“拉链法”实现的散列表。它一般用于多线程程序中。
　　WeakHashMap 也是基于“拉链法”实现的散列表，它一般也用于单线程程序中。相比HashMap，WeakHashMap中的键是“弱键”，当“弱键”被GC回收时，它对应的键值对也会被从WeakHashMap中删除；而HashMap中的键是强键。
　　TreeMap 是有序的散列表，它是通过红黑树实现的。它一般用于单线程中存储有序的映射。

第2部分 HashMap和Hashtable异同

第2.1部分 HashMap和Hashtable的相同点

HashMap和Hashtable都是存储“键值对(key-value)”的散列表，而且都是采用拉链法实现的。
存储的思想都是：通过table数组存储，数组的每一个元素都是一个Entry；而一个Entry就是一个单向链表，Entry链表中的每一个节点就保存了key-value键值对数据。

添加key-value键值对：首先，根据key值计算出哈希值，再计算出数组索引(即，该key-value在table中的索引)。然后，根据数组索引找到Entry(即，单向链表)，再遍历单向链表，将key和链表中的每一个节点的key进行对比。若key已经存在Entry链表中，则用该value值取代旧的value值；若key不存在Entry链表中，则新建一个key-value节点，并将该节点插入Entry链表的表头位置。
删除key-value键值对：删除键值对，相比于“添加键值对”来说，简单很多。首先，还是根据key计算出哈希值，再计算出数组索引(即，该key-value在table中的索引)。然后，根据索引找出Entry(即，单向链表)。若节点key-value存在与链表Entry中，则删除链表中的节点即可。

上面介绍了HashMap和Hashtable的相同点。正是由于它们都是散列表，我们关注更多的是“它们的区别，以及它们分别适合在什么情况下使用”。那接下来，我们先看看它们的区别。

第2.2部分 HashMap和Hashtable的不同点

1 继承和实现方式不同

HashMap 继承于AbstractMap，实现了Map、Cloneable、java.io.Serializable接口。
Hashtable 继承于Dictionary，实现了Map、Cloneable、java.io.Serializable接口。

HashMap的定义:

public class HashMap<K,V>
    extends AbstractMap<K,V>
    implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable { ... }

Hashtable的定义:

public class Hashtable<K,V>
    extends Dictionary<K,V>
    implements Map<K,V>, Cloneable, java.io.Serializable { ... }

从中，我们可以看出：
1.1 HashMap和Hashtable都实现了Map、Cloneable、java.io.Serializable接口。
      实现了Map接口，意味着它们都支持key-value键值对操作。支持“添加key-value键值对”、“获取key”、“获取value”、“获取map大小”、“清空map”等基本的key-value键值对操作。
      实现了Cloneable接口，意味着它能被克隆。
      实现了java.io.Serializable接口，意味着它们支持序列化，能通过序列化去传输。

1.2 HashMap继承于AbstractMap，而Hashtable继承于Dictionary
      Dictionary是一个抽象类，它直接继承于Object类，没有实现任何接口。Dictionary类是JDK 1.0的引入的。虽然Dictionary也支持“添加key-value键值对”、“获取value”、“获取大小”等基本操作，但它的API函数比Map少；而且             Dictionary一般是通过Enumeration(枚举类)去遍历，Map则是通过Iterator(迭代器)去遍历。 然而‘由于Hashtable也实现了Map接口，所以，它即支持Enumeration遍历，也支持Iterator遍历。关于这点，后面还会进一步说明。
      AbstractMap是一个抽象类，它实现了Map接口的绝大部分API函数；为Map的具体实现类提供了极大的便利。它是JDK 1.2新增的类。

2 线程安全不同

Hashtable的几乎所有函数都是同步的，即它是线程安全的，支持多线程。
而HashMap的函数则是非同步的，它不是线程安全的。若要在多线程中使用HashMap，需要我们额外的进行同步处理。 对HashMap的同步处理可以使用Collections类提供的synchronizedMap静态方法，或者直接使用JDK 5.0之后提供的java.util.concurrent包里的ConcurrentHashMap类。

3 对null值的处理不同

HashMap的key、value都可以为null。
Hashtable的key、value都不可以为null。

我们先看看HashMap和Hashtable “添加key-value”的方法

HashMap的添加key-value的方法

 

Hashtable的添加key-value的方法

 

根据上面的代码，我们可以看出：

Hashtable的key或value，都不能为null！否则，会抛出异常NullPointerException。
HashMap的key、value都可以为null。 当HashMap的key为null时，HashMap会将其固定的插入table[0]位置(即HashMap散列表的第一个位置)；而且table[0]处只会容纳一个key为null的值，当有多个key为null的值插入的时候，table[0]会保留最后插入的value。

4 支持的遍历种类不同

HashMap只支持Iterator(迭代器)遍历。
而Hashtable支持Iterator(迭代器)和Enumeration(枚举器)两种方式遍历。

Enumeration 是JDK 1.0添加的接口，只有hasMoreElements(), nextElement() 两个API接口，不能通过Enumeration()对元素进行修改 。
而Iterator 是JDK 1.2才添加的接口，支持hasNext(), next(), remove() 三个API接口。HashMap也是JDK 1.2版本才添加的，所以用Iterator取代Enumeration，HashMap只支持Iterator遍历。

5 通过Iterator迭代器遍历时，遍历的顺序不同

HashMap是“从前向后”的遍历数组；再对数组具体某一项对应的链表，从表头开始进行遍历。
Hashtabl是“从后往前”的遍历数组；再对数组具体某一项对应的链表，从表头开始进行遍历。

HashMap和Hashtable都实现Map接口，所以支持获取它们“key的集合”、“value的集合”、“key-value的集合”，然后通过Iterator对这些集合进行遍历。
由于“key的集合”、“value的集合”、“key-value的集合”的遍历原理都是一样的；下面，我以遍历“key-value的集合”来进行说明。

HashMap 和Hashtable 遍历"key-value集合"的方式是：(01) 通过entrySet()获取“Map.Entry集合”。 (02) 通过iterator()获取“Map.Entry集合”的迭代器，再进行遍历。

HashMap的实现方式：先“从前向后”的遍历数组；对数组具体某一项对应的链表，则从表头开始往后遍历。

 

Hashtable的实现方式：先从“后向往前”的遍历数组；对数组具体某一项对应的链表，则从表头开始往后遍历。

 

6 容量的初始值 和 增加方式都不一样

HashMap默认的容量大小是16；增加容量时，每次将容量变为“原始容量x2”。
Hashtable默认的容量大小是11；增加容量时，每次将容量变为“原始容量x2 + 1”。

HashMap默认的“加载因子”是0.75, 默认的容量大小是16。

 

当HashMap的 “实际容量” >= “阈值”时，(阈值 = 总的容量 * 加载因子)，就将HashMap的容量翻倍。

 

Hashtable默认的“加载因子”是0.75, 默认的容量大小是11。 

 

当Hashtable的 “实际容量” >= “阈值”时，(阈值 = 总的容量 x 加载因子)，就将变为“原始容量x2 + 1”。

 

7 添加key-value时的hash值算法不同

HashMap添加元素时，是使用自定义的哈希算法。
Hashtable没有自定义哈希算法，而直接采用的key的hashCode()。

HashMap添加元素时，是使用自定义的哈希算法。

 

Hashtable没有自定义哈希算法，而直接采用的key的hashCode()。

 

8 部分API不同

Hashtable支持contains(Object value)方法，而且重写了toString()方法；
而HashMap不支持contains(Object value)方法，没有重写toString()方法。

最后，再说说“HashMap和Hashtable”使用的情景。
其实，若了解它们之间的不同之处后，可以很容易的区分根据情况进行取舍。例如：(01) 若在单线程中，我们往往会选择HashMap；而在多线程中，则会选择Hashtable。(02)，若不能插入null元素，则选择Hashtable；否则，可以选择HashMap。
但这个不是绝对的标准。例如，在多线程中，我们可以自己对HashMap进行同步，也可以选择ConcurrentHashMap。当HashMap和Hashtable都不能满足自己的需求时，还可以考虑新定义一个类，继承或重新实现散列表；当然，一般情况下是不需要的了。

第3部分 HashMap和WeakHashMap异同

3.1 HashMap和WeakHashMap的相同点

1 它们都是散列表，存储的是“键值对”映射。
2 它们都继承于AbstractMap，并且实现Map基础。
3 它们的构造函数都一样。
   它们都包括4个构造函数，而且函数的参数都一样。
4 默认的容量大小是16，默认的加载因子是0.75。
5 它们的“键”和“值”都允许为null。
6 它们都是“非同步的”。

3.2 HashMap和WeakHashMap的不同点

1 HashMap实现了Cloneable和Serializable接口，而WeakHashMap没有。
   HashMap实现Cloneable，意味着它能通过clone()克隆自己。
   HashMap实现Serializable，意味着它支持序列化，能通过序列化去传输。

2 HashMap的“键”是“强引用(StrongReference)”，而WeakHashMap的键是“弱引用(WeakReference)”。
   WeakReference的“弱键”能实现WeakReference对“键值对”的动态回收。当“弱键”不再被使用到时，GC会回收它，WeakReference也会将“弱键”对应的键值对删除。
   这个“弱键”实现的动态回收“键值对”的原理呢？其实，通过WeakReference(弱引用)和ReferenceQueue(引用队列)实现的。 首先，我们需要了解WeakHashMap中：
    第一，“键”是WeakReference，即key是弱键。
    第二，ReferenceQueue是一个引用队列，它是和WeakHashMap联合使用的。当弱引用所引用的对象被垃圾回收，Java虚拟机就会把这个弱引用加入到与之关联的引用队列中。 WeakHashMap中的ReferenceQueue是queue。
   第三，WeakHashMap是通过数组实现的，我们假设这个数组是table。
 

接下来，说说“动态回收”的步骤。

(01) 新建WeakHashMap，将“键值对”添加到WeakHashMap中。
        将“键值对”添加到WeakHashMap中时，添加的键都是弱键。
        实际上，WeakHashMap是通过数组table保存Entry(键值对)；每一个Entry实际上是一个单向链表，即Entry是键值对链表。
(02) 当某“弱键”不再被其它对象引用，并被GC回收时。在GC回收该“弱键”时，这个“弱键”也同时会被添加到queue队列中。
        例如，当我们在将“弱键”key添加到WeakHashMap之后；后来将key设为null。这时，便没有外部外部对象再引用该了key。
        接着，当Java虚拟机的GC回收内存时，会回收key的相关内存；同时，将key添加到queue队列中。
(03) 当下一次我们需要操作WeakHashMap时，会先同步table和queue。table中保存了全部的键值对，而queue中保存被GC回收的“弱键”；同步它们，就是删除table中被GC回收的“弱键”对应的键值对。
        例如，当我们“读取WeakHashMap中的元素或获取WeakReference的大小时”，它会先同步table和queue，目的是“删除table中被GC回收的‘弱键’对应的键值对”。删除的方法就是逐个比较“table中元素的‘键’和queue中的‘键’”，若它们相当，则删除“table中的该键值对”。

3.3 HashMap和WeakHashMap的比较测试程序

 

运行结果：

 -- HashMap --
map entry : H2 - h2
  map size:1

 -- WeakHashMap --
map entry : W2 - w2
  map size:1

 -- Self-def HashMap --
map entry : CompareHashmapAndWeakhashmap$Self@1ff9dc36 - s4
  map size:1

 -- Self-def WeakHashMap --
GC Self: id=10 addr=0xCompareHashmapAndWeakhashmap$Self@12276af2)
map entry : CompareHashmapAndWeakhashmap$Self@59de3f2d - s2
  map size:1