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  • Java提高篇(三三)-----Map总结

            在前面LZ具体介绍了HashMapHashTableTreeMap的实现方法,从数据结构、实现原理、源代码分析三个方面进行阐述,对这个三个类应该有了比較清晰的了解,以下LZ就Map做一个简单的总结。

            推荐阅读:

            java提高篇(二三)—–HashMap

            java提高篇(二五)—–HashTable

            Java提高篇(二六)-----hashCode

            Java提高篇(二七)—–TreeMap

    一、Map概述

            首先先看Map的结构示意图


            Map:“键值”对映射的抽象接口。该映射不包含反复的键,一个键相应一个值。

            SortedMap:有序的键值对接口,继承Map接口。

            NavigableMap:继承SortedMap,具有了针对给定搜索目标返回最接近匹配项的导航方法的接口。

            AbstractMap:实现了Map中的绝大部分函数接口。

    它减少了“Map的实现类”的反复编码。

            Dictionary:不论什么可将键映射到相应值的类的抽象父类。

    眼下被Map接口代替。

            TreeMap:有序散列表,实现SortedMap 接口,底层通过红黑树实现。

            HashMap:是基于“拉链法”实现的散列表。

    底层採用“数组+链表”实现。

            WeakHashMap:基于“拉链法”实现的散列表。

            HashTable:基于“拉链法”实现的散列表。

            总结例如以下:


            他们之间的差别:


    二、内部哈希: 哈希映射技术

            差点儿全部通用Map都使用哈希映射技术。对于我们程序猿来说我们必须要对其有所了解。

            哈希映射技术是一种就元素映射到数组的很easy的技术。

    因为哈希映射採用的是数组结果,那么必定存在一中用于确定随意键訪问数组的索引机制,该机制可以提供一个小于数组大小的整数。我们将该机制称之为哈希函数。

    在Java中我们不必为寻找这种整数而大伤脑筋,因为每一个对象都必定存在一个返回整数值的hashCode方法,而我们须要做的就是将其转换为整数,然后再将该值除以数组大小取余就可以。

    例如以下:

    int hashValue = Maths.abs(obj.hashCode()) % size;
    以下是HashMap、HashTable的:

    ----------HashMap------------
    //计算hash值
    static int hash(int h) {
        h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
        return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
    }
    //计算key的索引位置
    static int indexFor(int h, int length) {
            return h & (length-1);
    }
    -----HashTable--------------
    int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;     //确认该key的索引位置

     位置的索引就代表了该节点在数组中的位置。下图是哈希映射的基本原理图:


             在该图中1-4步骤是找到该元素在数组中位置,5-8步骤是将该元素插入数组中。在插入的过程中会遇到一点点小挫折。在众多肯能存在多个元素他们的hash值是一样的。这样就会得到同样的索引位置,也就说多个元素会映射到同样的位置,这个过程我们称之为“冲突”。

    解决冲突的办法就是在索引位置处插入一个链接列表。并简单地将元素加入到此链接列表。当然也不是简单的插入,在HashMap中的处理步骤例如以下:获取索引位置的链表。假设该链表为null,则将该元素直接插入,否则通过比較是否存在与该key同样的key,若存在则覆盖原来key的value并返回旧值,否则将该元素保存在链头(最先保存的元素放在链尾)。以下是HashMap的put方法,该方法具体展示了计算索引位置。将元素插入到适当的位置的全部过程:

    public V put(K key, V value) {
            //当key为null,调用putForNullKey方法,保存null与table第一个位置中,这是HashMap同意为null的原因
            if (key == null)
                return putForNullKey(value);
            //计算key的hash值
            int hash = hash(key.hashCode());                 
            //计算key hash 值在 table 数组中的位置
            int i = indexFor(hash, table.length);            
            //从i出開始迭代 e,推断是否存在同样的key
            for (Entry<K, V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
                Object k;
                //推断该条链上是否有hash值同样的(key同样)
                //若存在同样,则直接覆盖value。返回旧value
                if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
                    V oldValue = e.value;    //旧值 = 新值
                    e.value = value;
                    e.recordAccess(this);
                    return oldValue;     //返回旧值
                }
            }
            //改动次数添加1
            modCount++;
            //将key、value加入至i位置处
            addEntry(hash, key, value, i);
            return null;
        }
    
    

             HashMap的put方法展示了哈希映射的基本思想,事实上假设我们查看其他的Map。发现其原理都差点儿相同!


    三、Map优化

             首先我们这样假设,假设哈希映射的内部数组的大小仅仅有1。全部的元素都将映射该位置(0),从而构成一条较长的链表。因为我们更新、訪问都要对这条链表进行线性搜索。这样势必会减少效率。我们假设,假设存在一个很大数组,每一个位置链表处都仅仅有一个元素。在进行訪问时计算其 index 值就会获得该对象,这样做尽管会提高我们搜索的效率,可是它浪费了控件。诚然,尽管这两种方式都是极端的,可是它给我们提供了一种优化思路:使用一个较大的数组让元素可以均匀分布。在Map有两个会影响到其效率,一是容器的初始化大小、二是负载因子。

    3.1、调整实现大小

             在哈希映射表中。内部数组中的每一个位置称作“存储桶”(bucket)。而可用的存储桶数(即内部数组的大小)称作容量 (capacity),我们为了使Map对象可以有效地处理随意数的元素,将Map设计成可以调整自身的大小。

    我们知道当Map中的元素达到一定量的时候就会调整容器自身的大小,可是这个调整大小的过程其开销是很大的。

    调整大小须要将原来全部的元素插入到新数组中。我们知道index = hash(key) % length。

    这样可能会导致原先冲突的键不在冲突。不冲突的键如今冲突的。又一次计算、调整、插入的过程开销是很大的,效率也比較低下。

    所以,假设我们開始知道Map的预期大小值,将Map调整的足够大,则可以大大减少甚至不须要又一次调整大小,这很有可能会提快速度。

    以下是HashMap调整容器大小的过程,通过以下的代码我们可以看到其扩容过程的复杂性:

    void resize(int newCapacity) {
                Entry[] oldTable = table;    //原始容器
                int oldCapacity = oldTable.length;    //原始容器大小
                if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {     //是否超过最大值:1073741824
                    threshold = Integer.MAX_VALUE;
                    return;
                }
    
                //新的数组:大小为 oldCapacity * 2
                Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];    
                transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));
                table = newTable;
               /*
                * 又一次计算阀值 =  newCapacity * loadFactor >  MAXIMUM_CAPACITY + 1 ? 
                *                         newCapacity * loadFactor :MAXIMUM_CAPACITY + 1
                */
                threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);   
            }
            
            //将元素插入到新数组中
            void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
                int newCapacity = newTable.length;
                for (Entry<K,V> e : table) {
                    while(null != e) {
                        Entry<K,V> next = e.next;
                        if (rehash) {
                            e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
                        }
                        int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
                        e.next = newTable[i];
                        newTable[i] = e;
                        e = next;
                    }
                }
            }

    3.2、负载因子

             为了确认何时须要调整Map容器,Map使用了一个额外的參数而且粗略计算存储容器的密度。在Map调整大小之前,使用”负载因子”来指示Map将会承担的“负载量”,也就是它的负载程度,当容器中元素的数量达到了这个“负载量”,则Map将会进行扩容操作。负载因子、容量、Map大小之间的关系例如以下:负载因子 * 容量 > map大小  ----->调整Map大小。

             比如:假设负载因子大小为0.75(HashMap的默认值),默认容量为11,则 11 * 0.75 = 8.25 = 8。所以当我们容器中插入第八个元素的时候,Map就会调整大小。

            负载因子本身就是在控件和时间之间的折衷。当我使用较小的负载因子时。尽管减少了冲突的可能性。使得单个链表的长度减小了,加快了訪问和更新的速度。可是它占用了很多其他的控件。使得数组中的大部分控件没有得到利用,元素分布比較稀疏,同一时候因为Map频繁的调整大小。可能会减少性能。

    可是假设负载因子过大,会使得元素分布比較紧凑,导致产生冲突的可能性加大,从而訪问、更新速度较慢。所以我们一般推荐不更改负载因子的值,採用默认值0.75.

    最后

            推荐阅读:

            java提高篇(二三)—–HashMap

            java提高篇(二五)—–HashTable

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