Java集合Map接口的实现类（HashMap、LinkedHashMap等面试题）的结构

HashMap


/*
 * 一、Map的实现类的结构：
 *  |----Map:双列数据，存储key-value对的数据   ---类似于高中的函数：y = f(x)
 *         |----HashMap:作为Map的主要实现类；线程不安全的，效率高；存储null的key和value
                |----LinkedHashMap:保证在遍历map元素时，可以按照添加的顺序实现遍历。 原因：在原有的HashMap底层结构基础上，
                		添加了一对指针，指向前一个和后一个元素。对于频繁的遍历操作，此类执行效率高于HashMap。
           |----TreeMap:保证按照添加的key-value对进行排序，实现排序遍历。此时考虑key的自然排序或定制排序
 *                      底层使用红黑树
 *         |----Hashtable:作为古老的实现类；线程安全的，效率低；不能存储null的key和value
 *              |----Properties:常用来处理配置文件。key和value都是String类型
 *
 *
 *      HashMap的底层：数组+链表  （jdk7及之前）
 *                    数组+链表+红黑树 （jdk 8）
 *
 *
 *  面试题：
 *  1. HashMap的底层实现原理？
 *  2. HashMap 和 Hashtable的异同？
 *  3. CurrentHashMap 与 Hashtable的异同？（暂时不讲）
 *
 *  二、Map结构的理解：
 *    Map中的key:无序的、不可重复的，使用Set存储所有的key  ---> key所在的类要重写equals()和hashCode() （以HashMap为例）
 
 *    Map中的value:无序的、可重复的（不存在这种无序可重复的集合），理解成使用Collection存储所有的value --->value所在的类要重写equals()
 *    一个键值对：key-value构成了一个Entry对象。key-value相当entrt对象的2个属性
 *    Map中的entry:无序的、不可重复的，使用Set存储所有的entry
 */
  三、HashMap的底层实现原理？以jdk7为例说明：
       HashMap map = new HashMap():
       在实例化以后，底层创建了长度是16的一维数组Entry[] table。
       ...可能已经执行过多次put...
       map.put(key1,value1):
      首先，调用key1所在类的hashCode()计算key1哈希值，此哈希值经过某种算法计算以后，得到在Entry数组中的存放位置。
          
       如果此位置上的数据为空，此时的key1-value1添加成功。 ----情况1
       如果此位置上的数据不为空，(意味着此位置上存在一个或多个数据(以链表形式存在)),
       比较key1和已经存在的一个或多个数据的哈希值：(哈希值不同也可能会分配到同一个位置 可以通过散列表取模理解) 
       存放位置是通过某种算法计算哈希值得到的，不是直接通过哈希值得到的存放位置。
       (当我们往HashMap中put元素的时候，先根据key的hashCode重新计算hash值，根据hash值得到这个元素在数组中的位置（即下标）)
 ===============================================================         
        hash值如何计算呢？
          在HashMap中是这样做的：调用 indexFor(int h, int length) 方法来
          计算该对象应该保存在 table 数组的哪个索引处。indexFor(int h, int length) 方法的代码如下：Java代码
    static int indexFor(int h, int length) { 
           return hash & (length-1); 
      } 
这个方法非常巧妙，它通过 hash & (table.length -1) 来得到该对象的保存位，
而HashMap底层数组的长度总是 2 的 n 次方，这是HashMap在速度上的优化。在 HashMap 构造器中有如下代码：
    int capacity = 1; 
 while (capacity < initialCapacity)
     capacity <<= 1; 
	这段代码保证初始化时HashMap的容量总是2的n次方，即底层数组的长度总是为2的n次方。
	当length总是 2 的n次方时，h& (length-1)运算等价于对length取模，也就是h%length，但是&比%具有更高的效率。
        所以说，当数组长度为2的n次幂的时候，不同的key算得得index相同的几率较小，
        那么数据在数组上分布就比较均匀，也就是说碰撞的几率小，相对的，查询的时候就不用遍历某个位置上的链表，这样查询效率也就较高了。
=======================================================================
       如果key1的哈希值与已经存在的数据的哈希值都不相同，此时key1-value1添加成功。----情况2
        如果key1的哈希值和已经存在的某一个数据(key2-value2)的哈希值相同，继续比较：调用key1所在类的equals(key2)方法，比较：
                       如果equals()返回false:此时key1-value1（Entry）添加成功。----情况3
                       如果equals()返回true:使用value1替换value2。(覆盖)
 
        补充：关于情况2和情况3：此时key1-value1和原来的数据以链表的方式存储。
 		(JDK七上八下)
       在不断的添加过程中，会涉及到扩容问题，当超出临界值（16*0.75=12）(且要存放的位置非空)时，扩容。
       默认的扩容方式：扩容为原来容量的2倍，并将原有的数据复制过来。
        为什么是12而不是到16再扩容，因为这样可以防止链表过多（数组不是均匀放置数据的，而是根据hash值），增加数组的利用率。

*      jdk8 相较于jdk7在底层实现方面的不同：
 *      1. new HashMap():底层没有创建一个长度为16的数组
 *      2. jdk 8底层的数组是：Node[],而非Entry[]
 *      3. 首次调用put()方法时，底层创建长度为16的数组
 *      4. jdk7底层结构只有：数组+链表。jdk8中底层结构：数组+链表+红黑树。
 *         4.1 形成链表时，七上八下（jdk7:新的元素指向旧的元素。jdk8：旧的元素指向新的元素）
           4.2 当数组的某一个索引位置上的元素以链表形式存在的数据个数 > 8 且当前数组的长度 > 64时
           （要求数组长度大于64的原因是:数组整体长度不够可能会导致某一个数组位置上的链表数据大于8；
           如果当前位置链表大于8但是数组整体长度小于64，那么就去将数组扩容而不是将当前链表转成红黑树），
           此时此索引位置上的所有数据改为使用红黑树存储。
              4.3如果当映射关系被移除后，下次resize方法时判断树的结点个数低于6个，也会把树再转为链表。
               ================================
           
 *      DEFAULT_INITIAL_CAPACITY : HashMap的默认容量，16
 *      DEFAULT_LOAD_FACTOR：HashMap的默认加载因子：0.75
 *      threshold：扩容的临界值，=容量*填充因子：16 * 0.75 => 12
 *      TREEIFY_THRESHOLD：Bucket中链表长度大于该默认值，转化为红黑树:8
 *      MIN_TREEIFY_CAPACITY：桶中的Node被树化时最小的hash表容量:64
    
    扩容机制中JDK1.8做了哪些优化。经过观测可以发现，我们使用的是2次幂的扩展(指长度扩为原来2倍)，所以，
    元素的位置要么是在原位置，要么是在原位置再移动2次幂的位置。因此，我们在扩充HashMap的时候，
    不需要像JDK1.7的实现那样重新计算hash，只需要看看原来的hash值新增的那个bit是1还是0就好了，是0的话索引没变，
    是1的话索引变成“原索引+oldCap”，省去了重新计算hash值的时间
JDK 1.8相对 1.7 增加了红黑树。相比链式结构的节点，树型结构的节点会占用比较多的空间，所以这是一种以空间换时间的改进方式。
     
总结：JDK1.8相较于之前的变化：
     1.HashMap map = new HashMap();
默认情况下，先不创建长度为16的数组
    2.当首次调用map.put()时，再创建长度为16的数组
    3.数组为Node类型，在jdk7中称为Entry类型
    4.形成链表结构时，新添加的key-value对在链表的尾部（七上八下）
    5.当数组指定索引位置的链表长度>8时，且map中的数组的长度> 64时，此索引位置上的所有key-value对使用红黑树进行存储。

LinkedHashMap

LinkedHashMap是HashMap的子类在HashMap存储结构的基础上，使用了一对双向链表来记录添加元素的顺序
    与LinkedHashSet类似，LinkedHashMap可以维护Map 的迭代顺序：迭代顺序与Key-Value 对的插入顺序一致
LinkedHashMap的底层实现原理（了解）
 *      源码中：
 *      static class Entry<K,V> extends HashMap.Node<K,V> {
             Entry<K,V> before, after;//能够记录添加的元素的先后顺序
             Entry(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
                super(hash, key, value, next);
             }
         }

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Map接口常用方法：

添加、删除、修改操作：
Object put(Object key,Object value)：将指定key-value添加到(或修改)当前map对象中
void putAll(Map m):将m中的所有key-value对存放到当前map中
Object remove(Object key)：移除指定key的key-value对，并返回value
void clear()：清空当前map中的所有数据

    @Test
    public void test3(){
        Map map = new HashMap();
        //添加
        map.put("AA",123);
        map.put(45,123);
        map.put("BB",56);
        //修改
        map.put("AA",87);

        System.out.println(map);

        Map map1 = new HashMap();
        map1.put("CC",123);
        map1.put("DD",123);

        map.putAll(map1);

        System.out.println(map);

        //remove(Object key)
        Object value = map.remove("CC");
        System.out.println(value);
        System.out.println(map);

        //clear()
        map.clear();//clear的作用是把map里每个属性设置为null，并把map的长度设置为0）。并没有销毁。 与map = null不同
        System.out.println(map.size());//0
        System.out.println(map);//{}
        map = null;
        System.out.println(map);// null
    }

    @Test
    public void test2(){
        Map map = new HashMap();
        map = new LinkedHashMap();
        map.put(123,"AA");
        map.put(345,"BB");
        map.put(12,"CC");

        System.out.println(map);
    }


    @Test
    public void test1(){
        Map map = new HashMap();
//        map = new Hashtable();
        map.put(null,123);
HashMap的key可以为null 	Hashtable()不可以
    }

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元素查询的操作：
Object get(Object key)：获取指定key对应的value
boolean containsKey(Object key)：是否包含指定的key
boolean containsValue(Object value)：是否包含指定的value
int size()：返回map中key-value对的个数
boolean isEmpty()：判断当前map是否为空
boolean equals(Object obj)：判断当前map和参数对象obj是否相等

    @Test
    public void test4(){
        Map map = new HashMap();
        map.put("AA",123);
        map.put(45,123);
        map.put("BB",56);
        // Object get(Object key)
        System.out.println(map.get(45));
        //containsKey(Object key)
        boolean isExist = map.containsKey("BB");
        System.out.println(isExist);

        isExist = map.containsValue(123);
        System.out.println(isExist);

        map.clear();

        System.out.println(map.isEmpty());

    }

元视图操作的方法：
Set keySet()：返回所有key构成的Set集合
Collection values()：返回所有value构成的Collection集合
Set entrySet()：返回所有key-value对构成的Set集合

    @Test
    public void test5(){
        Map map = new HashMap();
        map.put("AA",123);
        map.put(45,1234);
        map.put("BB",56);

        //遍历所有的key集：keySet()
        Set set = map.keySet();//key是Set类型
            Iterator iterator = set.iterator();
            while(iterator.hasNext()){
                System.out.println(iterator.next());
        }
        System.out.println();
        //遍历所有的value集：values()
        Collection values = map.values();//value是Collection类型
        for(Object obj : values){
            System.out.println(obj);
        }
        System.out.println();
        
        //遍历所有的key-value
        //方式一：entrySet()
        Set entrySet = map.entrySet();//Set类型
        Iterator iterator1 = entrySet.iterator();
        while (iterator1.hasNext()){
            Object obj = iterator1.next();
            //entrySet集合中的元素都是entry
            Map.Entry entry = (Map.Entry) obj;
            System.out.println(entry.getKey() + "---->" + entry.getValue());

        }
        System.out.println();
        //方式二：
        Set keySet = map.keySet();
        Iterator iterator2 = keySet.iterator();
        while(iterator2.hasNext()){
            Object key = iterator2.next();//通过遍历拿到数据
            Object value = map.get(key);
            System.out.println(key + "=====" + value);
        }

    }

总结：常用方法：

添加：put(Object key,Object value)
删除：remove(Object key)
修改：put(Object key,Object value)
查询：get(Object key)
长度：size()
遍历：keySet() / values() / entrySet()
================================================

HashMap面试题

所有的key构成的集合是Set:无序的、不可重复的。所以，key所在的类要重写：equals()和hashCode()。
所有的value构成的集合是Collection:无序的、可以重复的。所以，value所在的类要重写：equals()
一个key-value构成一个entry
所有的entry构成的集合是Set:无序的、不可重复的
HashMap 判断两个key 相等的标准是：两个key 通过equals() 方法返回true，hashCode值也相等。
HashMap判断两个value相等的标准是：两个value 通过equals() 方法返回true。

在这里插入图片描述

在这个数组中可以存放元素的位置我们称之为“桶”(bucket)，每个bucket都有自己的索引，系统可以根据索引快速的查找bucket中的元素。
每个bucket中存储一个元素，即一个Node对象，但每一个Node对象可以带一个引用变量next，用于指向下一个元素，因此，在一个桶中，就有可能生成一个Node链。也可能是一个一个TreeNode对象，每一个TreeNode对象可以有两个叶子结点left和right，因此，在一个桶中，就有可能生成一个TreeNode树。而新添加的元素作为链表的last，或树的叶子结点。

在这里插入图片描述

TreeMap

TreeSet底层使用红黑树结构存储数据
TreeMap的Key 的排序：
自然排序：TreeMap的所有的Key 必须实现Comparable 接口，而且所有的Key 应该是同一个类的对象，否则将会抛出ClasssCastException
定制排序：创建TreeMap时，传入一个Comparator 对象，该对象负责对TreeMap中的所有key 进行排序。此时不需要Map 的Key 实现Comparable 接口
TreeMap判断两个key相等的标准：两个key通过compareTo()方法或者compare()方法返回0。

public class TreeMapTest {

    //向TreeMap中添加key-value，要求key必须是由同一个类创建的对象
    //因为要按照key进行排序：自然排序 、定制排序；不能按照value排序。
    
    
    //自然排序
    @Test
    public void test1(){
        TreeMap map = new TreeMap();
        User u1 = new User("Tom",23);
        User u2 = new User("Jerry",32);
        User u3 = new User("Jack",20);
        User u4 = new User("Rose",18);
		//User类实现了Compareable接口 重写了cpmpareTo方法
        map.put(u1,98);
        map.put(u2,89);
        map.put(u3,76);
        map.put(u4,100);

        Set entrySet = map.entrySet();
        Iterator iterator1 = entrySet.iterator();
        while (iterator1.hasNext()){
            Object obj = iterator1.next();
            Map.Entry entry = (Map.Entry) obj;
            System.out.println(entry.getKey() + "---->" + entry.getValue());

        }
    }

    //定制排序
    @Test
    public void test2(){
        TreeMap map = new TreeMap(new Comparator() { //匿名内部类
            @Override
            public int compare(Object o1, Object o2) {
                if(o1 instanceof User && o2 instanceof User){
                    User u1 = (User)o1;
                    User u2 = (User)o2;
                    return Integer.compare(u1.getAge(),u2.getAge());
                }
                throw new RuntimeException("输入的类型不匹配！");
            }
        });
        User u1 = new User("Tom",23);
        User u2 = new User("Jerry",32);
        User u3 = new User("Jack",20);
        User u4 = new User("Rose",18);

        map.put(u1,98);
        map.put(u2,89);
        map.put(u3,76);
        map.put(u4,100);

        Set entrySet = map.entrySet();
        Iterator iterator1 = entrySet.iterator();
        while (iterator1.hasNext()){
            Object obj = iterator1.next();
            Map.Entry entry = (Map.Entry) obj;
            System.out.println(entry.getKey() + "---->" + entry.getValue());

        }
    }

Hashtable

Hashtable是个古老的Map 实现类，JDK1.0就提供了。不同于HashMap，Hashtable是线程安全的。
Hashtable实现原理和HashMap相同，功能相同。底层都使用哈希表结构，查询速度快，很多情况下可以互用。
与HashMap不同，Hashtable不允许使用null 作为key 和value
与HashMap一样，Hashtable也不能保证其中Key-Value 对的顺序
Hashtable判断两个key相等、两个value相等的标准，与HashMap一致。

Properties

Properties 类是Hashtable的子类，该对象用于处理属性文件
由于属性文件里的key、value 都是字符串类型，所以Properties 里的key 和value 都是字符串类型
存取数据时，建议使用setProperty(String key,Stringvalue)方法和getProperty(String key)方法

public class PropertiesTest {

    //Properties:常用来处理配置文件。key和value都是String类型
    public static void main(String[] args)  {
        FileInputStream fis = null;
        try {
            Properties pros = new Properties();

            fis = new FileInputStream("jdbc.properties");
            pros.load(fis);//加载流对应的文件

            String name = pros.getProperty("name");
            String password = pros.getProperty("password");

            System.out.println("name = " + name + ", password = " + password);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if(fis != null){
                try {
                    fis.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

            }
        }

    }

Collections面试

操作Collection、Map的工具类
面试题：Collection 和 Collections的区别？

1. Collection是一个集合接口。它提供了对集合对象进行基本操作的通用接口方法。Collection接口在Java类库中有很多具体的实现。Collection接口的意义是为各种具体的集合提供最大化的统一操作方式。
2. Collections是一个包装类。它包含各种有关集合操作的静态多态方法(均为static方法)。此类不能实例化，就像一个工具类，服务于Java的Collection框架。

public class CollectionsTest {

/*
reverse(List)：反转 List 中元素的顺序
shuffle(List)：对 List 集合元素进行随机排序
sort(List)：根据元素的自然顺序对指定 List 集合元素按升序排序
sort(List，Comparator)：根据指定的 Comparator 产生的顺序对 List 集合元素进行排序
swap(List，int， int)：将指定 list 集合中的 i 处元素和 j 处元素进行交换

Object max(Collection)：根据元素的自然顺序，返回给定集合中的最大元素
Object max(Collection，Comparator)：根据 Comparator 指定的顺序，返回给定集合中的最大元素
Object min(Collection)
Object min(Collection，Comparator)
int frequency(Collection，Object)：返回指定集合中指定元素的出现次数
void copy(List dest,List src)：将src中的内容复制到dest中
boolean replaceAll(List list，Object oldVal，Object newVal)：使用新值替换 List 对象的所有旧值

 */
    @Test
    public void test2(){
        List list = new ArrayList();
        list.add(123);
        list.add(43);
        list.add(765);
        list.add(-97);
        list.add(0);

        //报异常：IndexOutOfBoundsException("Source does not fit in dest")
//        List dest = new ArrayList();
//        Collections.copy(dest,list);
        //正确的：
        List dest = Arrays.asList(new Object[list.size()]);
        System.out.println(dest.size());//list.size();
        Collections.copy(dest,list);

        System.out.println(dest);


        /*
        Collections 类中提供了多个 synchronizedXxx() 方法，
        该方法可使将指定集合包装成线程同步的集合，从而可以解决
        多线程并发访问集合时的线程安全问题

         */
        //返回的list1即为线程安全的List
        List list1 = Collections.synchronizedList(list);


    }

    @Test
    public void test1(){
        List list = new ArrayList();
        list.add(123);
        list.add(43);
        list.add(765);
        list.add(765);
        list.add(765);
        list.add(-97);
        list.add(0);

        System.out.println(list);

//        Collections.reverse(list);
//        Collections.shuffle(list);
//        Collections.sort(list);
//        Collections.swap(list,1,2);
        int frequency = Collections.frequency(list, 123);
			//返回指定集合中指定元素(123)的出现次数
        System.out.println(list);
        System.out.println(frequency);

    }

面试题：

package com.atguigu.exer;

/*
 * 请把学生名与考试分数录入到Set中，并按分数显示前三名成绩学员的名字.怎么用Set实现?
 */
import java.util.TreeSet;
import java.util.Scanner;
import org.junit.Test;


public class ScoreTest {
	private Scanner scanner;

	@Test
	public void test1() {
		scanner = new Scanner(System.in);
		TreeSet<Student> treeSet = new TreeSet<>();
		System.out.println("请输入学生的姓名和成绩，当输入为负数时结束输入");
		for (int i = 1;; i++) {
			int score = 0;
			System.out.println("请输入第" + i + "位学生的姓名：");
			String name = scanner.next();
			System.out.println("请输入第" + i + "位学生的成绩：(输入负数，结束录入)");
			try {
				score = scanner.nextInt();
			} catch (ClassCastException e) {
				// TODO: handle exception
				System.out.println("您输入的分数有误");
			}

			if (score < 0) {
				break;
			} else {
				treeSet.add(new Student(name, score));
			}

		}
		System.out.println("您输入的成绩生成成绩单结果：");
		for (Student student : treeSet) {
			System.out.println(student.getName() + "--->" + student.getScore());
		}
		// 前三名学生的姓名
		System.out.println("前三名学生的姓名为：");
		int count = 0;
		for (Student student : treeSet) {
			if (count == 3) {
				break;
			} else {
				System.out.println(student.getName() + "--->"
						+ student.getScore());
				count++;
			}

		}
	}
}

class Student implements Comparable<Student> {
	private String name;
	private int score;

	public Student(String name, int score) {
		super();
		this.name = name;
		this.score = score;
	}

	public String getName() {
		return name;
	}

	public void setName(String name) {
		this.name = name;
	}

	public int getScore() {
		return score;
	}

	public void setScore(int score) {
		this.score = score;
	}

	@Override
	public int hashCode() {
		final int prime = 31;
		int result = 1;
		result = prime * result + ((name == null) ? 0 : name.hashCode());
		result = prime * result + score;
		return result;
	}

	@Override
	public boolean equals(Object obj) {
		if (this == obj)
			return true;
		if (obj == null)
			return false;
		if (getClass() != obj.getClass())
			return false;
		Student other = (Student) obj;
		if (name == null) {
			if (other.name != null)
				return false;
		} else if (!name.equals(other.name))
			return false;
		if (score != other.score)
			return false;
		return true;
	}

	@Override
	public int compareTo(Student o) {
		// TODO Auto-generated method stub
		int num = o.score - score;
		if (num != 0) {
			return num;
		} else {
			return this.name.compareTo(o.name);//name是string类型 可以调compareTo
		}
	}

}