Map详解

敖正炀
117 阅读5分钟

Java Map实现类包括HashMap（哈希表高效查询）、LinkedHashMap（维护插入/访问顺序）、TreeMap（红黑树排序）、Hashtable（同步低效）及ConcurrentHashMap（分段锁/CAS高并发），适用于不同场景如缓存、排序和多线程环境。

一、Map 接口核心特性

  • 键值对存储：每个元素包含一个键（Key）和一个值（Value）。
  • 键唯一性：键不可重复（通过 equals() 和 hashCode() 判断）。
  • 无序性（默认）：不保证元素的插入顺序（LinkedHashMap 和 TreeMap 例外）。
  • 允许 null：大多数实现类允许键或值为 null（ConcurrentHashMap 不允许）。

二、Map 主要实现类对比

实现类底层数据结构线程安全顺序特性时间复杂度（插入/查询）适用场景
HashMap数组+链表/红黑树（JDK8+）非线程安全无序O(1)（平均）快速键值查找、无需顺序
LinkedHashMap哈希表 + 双向链表非线程安全插入顺序/访问顺序O(1)需要保留插入顺序或 LRU 缓存
TreeMap红黑树非线程安全自然排序/定制排序O(log n)需要排序或范围查询
Hashtable数组+链表线程安全无序O(1)（平均）遗留代码、简单同步需求
ConcurrentHashMap分段锁/CAS（JDK8+）线程安全无序O(1)（平均）高并发读写场景

三、各实现类详解

1. HashMap

  • 底层数据结构：

    • JDK7：数组 + 链表（哈希冲突通过链表解决）。
    • JDK8+ ：数组 + 链表/红黑树（链表长度 ≥8 时树化，<6 时退化为链表）。

  • 哈希计算与索引定位：

    // JDK 17 哈希扰动函数
static final int hash(Object key) {
    int h;
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
// 索引计算：i = (n - 1) & hash

  • 扩容机制：

    • 初始容量：默认 16，负载因子 0.75。
    • 触发条件：元素数量 > 容量 × 负载因子。
    • 扩容规则：容量翻倍，旧元素重新哈希到新数组。
    • 优化（JDK8+） ：通过高位掩码判断元素迁移位置（避免重新计算哈希）。

  • 线程安全：非线程安全，需通过 Collections.synchronizedMap() 包装或使用 ConcurrentHashMap。

  • 优点：

    • 随机访问速度极快（平均 O(1)）。
    • 内存占用合理（数组紧凑）。

  • 缺点：

    • 哈希冲突可能影响性能（链表过长或树化）。
    • 不保证顺序。
2. LinkedHashMap

  • 底层数据结构：继承 HashMap，通过双向链表维护顺序。

    // LinkedHashMap.Entry 扩展 Node
static class Entry<K,V> extends HashMap.Node<K,V> {
    Entry<K,V> before, after; // 双向链表指针
}

  • 顺序模式：

    • 插入顺序（默认）：按元素添加顺序遍历。
    • 访问顺序（accessOrder=true）：最近访问的元素移动到链表尾部（适合实现 LRU 缓存）。

  • LRU 缓存实现示例：

    public class LRUCache<K, V> extends LinkedHashMap<K, V> {
    private final int maxCapacity;
    
    public LRUCache(int maxCapacity) {
        super(maxCapacity, 0.75f, true);
        this.maxCapacity = maxCapacity;
    }
    
    @Override
    protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K, V> eldest) {
        return size() > maxCapacity;
    }
}

  • 优点：

    • 保留插入或访问顺序。
    • 适合实现缓存淘汰策略。

  • 缺点：

    • 内存占用略高于 HashMap（需维护链表指针）。
3. TreeMap

  • 底层数据结构：基于红黑树（自平衡二叉搜索树）。

    // 红黑树节点定义
static final class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    K key;
    V value;
    Entry<K,V> left;
    Entry<K,V> right;
    Entry<K,V> parent;
    boolean color; // 红黑标记
}

  • 排序规则：

    • 自然排序：键实现 Comparable 接口。
    • 定制排序：通过 Comparator 指定排序逻辑。

  • 范围查询：

    // 获取键在 [fromKey, toKey) 范围内的子映射
SortedMap<K, V> subMap = treeMap.subMap(fromKey, toKey);

  • 优点：

    • 支持排序和范围查询。
    • 插入、删除、查询稳定在 O(log n)。

  • 缺点：

    • 内存占用高（红黑树节点结构复杂）。
    • 性能低于 HashMap。
4. Hashtable

  • 底层数据结构：数组 + 链表（类似 JDK7 的 HashMap）。

  • 线程安全：通过 synchronized 方法实现全局锁。

    public synchronized V put(K key, V value) { ... }

  • 缺点：

    • 高并发下性能差（锁竞争激烈）。
    • 不允许 null 键或值。

  • 现状：已被 ConcurrentHashMap 取代，不推荐新项目使用。

5. ConcurrentHashMap

  • 底层数据结构：

    • JDK7：分段锁（Segment 数组 + HashEntry 链表）。
    • JDK8+ ：数组 + 链表/红黑树，使用 synchronized + CAS 实现细粒度锁。

  • JDK8+ 核心机制：

    • CAS 操作：初始化、节点插入等无锁化。
    • 锁粒度：仅锁定哈希桶的头节点（链表或红黑树）。
    final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
    // ...
    synchronized (f) { // 锁住头节点
        if (tabAt(tab, i) == f) {
            // 处理链表或红黑树插入
        }
    }
}

  • 扩容优化：

    • 多线程协助扩容：线程在操作时发现正在扩容，会协助迁移数据。
    • 步长分割：每个线程处理固定步长的桶区间。

  • 优点：

    • 高并发下性能接近非同步的 HashMap。
    • 锁粒度细，减少竞争。

  • 缺点：

    • 实现复杂，内存占用较高。

四、扩容机制对比

实现类初始容量负载因子扩容规则触发条件
HashMap160.75容量翻倍size > capacity × loadFactor
LinkedHashMap160.75同 HashMap同 HashMap
TreeMap无固定容量-动态扩展红黑树节点无需显式扩容
Hashtable110.75容量翻倍 +1同 HashMap
ConcurrentHashMap160.75容量翻倍，分段迁移同 HashMap

五、线程安全方案对比

实现类线程安全实现方式锁粒度性能影响
Hashtable方法级同步（synchronized）粗粒度（全局锁）高并发下性能差
Collections.synchronizedMap对象锁（synchronized）粗粒度中等性能开销
ConcurrentHashMapCAS + synchronized（JDK8+）细粒度（桶级别）高并发下性能优异

六、数据结构图示（Mermaid）

1. Map 类图
«interface»Map+put()+get()+remove()«interface»SortedMap+firstKey()+subMap()«interface»ConcurrentMap+putIfAbsent()HashMapLinkedHashMapTreeMapHashtableConcurrentHashMap
2. HashMap 数据结构（JDK8+）
HashMap
桶1: 链表
数组
桶2: 红黑树
桶N: ...

七、选择建议

  • 单线程场景：

    • 快速键值查找 → HashMap。
    • 需要插入顺序或 LRU 缓存 → LinkedHashMap。
    • 需要排序或范围查询 → TreeMap。

  • 高并发场景：

    • 读写均衡 → ConcurrentHashMap。
    • 遗留系统兼容 → Hashtable（不推荐新项目）。

  • 避免使用：直接使用 Collections.synchronizedMap() 包装的 HashMap（除非简单同步需求）。

八、示例代码：ConcurrentHashMap 高并发操作

ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(4);

// 并发添加元素
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
    executor.submit(() -> {
        String key = "key-" + ThreadLocalRandom.current().nextInt(100);
        map.compute(key, (k, v) -> (v == null) ? 1 : v + 1);
    });
}

executor.shutdown();
executor.awaitTermination(1, TimeUnit.MINUTES);
System.out.println(map); // 输出各 key 的计数

九、总结

  • HashMap：性能最优的无序键值对存储。
  • LinkedHashMap：适合需要顺序或缓存淘汰策略的场景。
  • TreeMap：唯一支持排序和范围查询的 Map。
  • ConcurrentHashMap：高并发场景的首选线程安全 Map。
  • Hashtable：遗留类，性能差，不推荐使用。
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