Map大家族的那点事儿(1)：Map

Map

Map是一种用于快速查找的数据结构，它以键值对的形式存储数据，每一个键都是唯一的，且对应着一个值，如果想要查找Map中的数据，只需要传入一个键，Map会对键进行匹配并返回键所对应的值，可以说Map其实就是一个存放键值对的集合。Map被各种编程语言广泛使用，只不过在名称上可能会有些混淆，像Python中叫做字典（Dictionary），也有些语言称其为关联数组（Associative Array），但其实它们都是一样的，都是一个存放键值对的集合。至于Java中经常用到的HashMap也是Map的一种，它被称为散列表，关于散列表的细节我会在本文中解释HashMap的源码时提及。

Java还提供了一种与Map密切相关的数据结构：Set，它是数学意义上的集合，特性如下：

• 无序性：一个集合中，每个元素的地位都是相同的，元素之间也都是无序的。不过Java中也提供了有序的Set，这点倒是没有完全遵循。
• 互异性：一个集合中，任何两个元素都是不相同的。
• 确定性：给定一个集合以及其任一元素，该元素属于或者不属于该集合是必须可以确定的。

很明显，Map中的key就很符合这些特性，Set的实现其实就是在内部使用Map。例如，HashSet就定义了一个类型为HashMap的成员变量，向HashSet添加元素a，等同于向它内部的HashMap添加了一个key为a，value为一个Object对象的键值对，这个Object对象是HashSet的一个常量，它是一个虚拟值，没有什么实际含义，源码如下：

private transient HashMap<E,Object> map;

// Dummy value to associate with an Object in the backing Map

private static final Object PRESENT = new Object();

public boolean add(E e) {

return map.put(e, PRESENT)==null;

}

小插曲过后，让我们接着说Map，它是JDK的一个顶级接口，提供了三种集合视图（Collection Views）：包含所有key的集合、包含所有value的集合以及包含所有键值对的集合，Map中的元素顺序与它所返回的集合视图中的元素的迭代顺序相关，也就是说，Map本身是不保证有序性的，当然也有例外，比如TreeMap就对有序性做出了保证，这主要因为它是基于红黑树实现的。

所谓的集合视图就是由集合本身提供的一种访问数据的方式，同时对视图的任何修改也会影响到集合。好比Map.keySet()返回了它包含的key的集合，如果你调用了Map.remove(key)那么keySet.contains(key)也将返回false，再比如说Arrays.asList(T)可以把一个数组封装成一个List，这样你就可以通过List的API来访问和操作这些数据，如下列示例代码：

String[] strings = {"a", "b", "c"};

List<String> list = Arrays.asList(strings);

System.out.println(list.get(0)); // "a"

strings[0] = "d";

System.out.println(list.get(0)); // "d"

list.set(0, "e");

System.out.println(strings[0]); // "e"

是不是感觉很神奇，其实Arrays.asList()只是将传入的数组与Arrays中的一个内部类ArrayList（注意，它与java.util包下的ArrayList不是同一个）做了一个”绑定“，在调用get()时会直接根据下标返回数组中的元素，而调用set()时也会直接修改数组中对应下标的元素。相对于直接复制来说，集合视图的优点是内存利用率更高，假设你有一个数组，又很想使用List的API来操作它，那么你不用new一个ArrayList以拷贝数组中的元素，只需要一点额外的内存（通过Arrays.ArrayList对数组进行封装），原始数据依然是在数组中的，并不会复制成多份。

Map接口规范了Map数据结构的通用API（也含有几个用于简化操作的default方法，default是JDK8的新特性，它是接口中声明的方法的默认实现，即非抽象方法）并且还在内部定义了Entry接口（键值对的实体类），在JDK中提供的所有Map数据结构都实现了Map接口，下面为Map接口的源码（代码中的注释太长了，基本都是些实现的规范，为了篇幅我就尽量省略了）。

package java.util;

import java.util.function.BiConsumer;

import java.util.function.BiFunction;

import java.util.function.Function;

import java.io.Serializable;

public interface Map<K,V> {

// 查询操作

/**

* 返回这个Map中所包含的键值对的数量，如果大于Integer.MAX_VALUE，

* 则应该返回Integer.MAX_VALUE。

*/

int size();

/**

* Map是否为空。

*/

boolean isEmpty();

/**

* Map中是否包含key，如果是返回true，否则false。

*/

boolean containsKey(Object key);

/**

* Map中是否包含value，如果是返回true，否则false。

*/

boolean containsValue(Object value);

/**

* 根据key查找value，如果Map不包含该key，则返回null。

*/

V get(Object key);

// 修改操作

/**

* 添加一对键值对，如果Map中已含有这个key，那么新value将覆盖掉旧value，

* 并返回旧value，如果Map中之前没有这个key，那么返回null。

*/

V put(K key, V value);

/**

* 删除指定key并返回之前的value，如果Map中没有该key，则返回null。

*/

V remove(Object key);

// 批量操作

/**

* 将指定Map中的所有键值对批量添加到当前Map。

*/

void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m);

/**

* 删除Map中所有的键值对。

*/

void clear();

// 集合视图

/**

* 返回包含Map中所有key的Set，对该视图的所有修改操作会对Map产生同样的影响，反之亦然。

*/

Set<K> keySet();

/**

* 返回包含Map中所有value的集合，对该视图的所有修改操作会对Map产生同样的影响，反之亦然。

*/

Collection<V> values();

/**

* 返回包含Map中所有键值对的Set，对该视图的所有修改操作会对Map产生同样的影响，反之亦然。

*/

Set<Map.Entry<K, V>> entrySet();

/**

* Entry代表一对键值对，规范了一些基本函数以及几个已实现的类函数（各种比较器）。

*/

interface Entry<K,V> {

K getKey();

V getValue();

V setValue(V value);

boolean equals(Object o);

int hashCode();

public static <K extends Comparable<? super K>, V> Comparator<Map.Entry<K,V>> comparingByKey() {

return (Comparator<Map.Entry<K, V>> & Serializable)

(c1, c2) -> c1.getKey().compareTo(c2.getKey());

}

public static <K, V extends Comparable<? super V>> Comparator<Map.Entry<K,V>> comparingByValue() {

return (Comparator<Map.Entry<K, V>> & Serializable)

(c1, c2) -> c1.getValue().compareTo(c2.getValue());

}

public static <K, V> Comparator<Map.Entry<K, V>> comparingByKey(Comparator<? super K> cmp) {

Objects.requireNonNull(cmp);

return (Comparator<Map.Entry<K, V>> & Serializable)

(c1, c2) -> cmp.compare(c1.getKey(), c2.getKey());

}

public static <K, V> Comparator<Map.Entry<K, V>> comparingByValue(Comparator<? super V> cmp) {

Objects.requireNonNull(cmp);

return (Comparator<Map.Entry<K, V>> & Serializable)

(c1, c2) -> cmp.compare(c1.getValue(), c2.getValue());

}

}

// 比较和hashing

/**

* 将指定的对象与此Map进行比较是否相等。

*/

boolean equals(Object o);

/**

* 返回此Map的hash code。

*/

int hashCode();

// 默认方法（非抽象方法）

/**

* 根据key查找value，如果该key不存在或等于null则返回defaultValue。

*/

default V getOrDefault(Object key, V defaultValue) {

V v;

return (((v = get(key)) != null) || containsKey(key)) ? v : defaultValue;

}

/**

* 遍历Map并对每个键值对执行指定的操作（action）。

* BiConsumer是一个函数接口（具有一个抽象方法的接口，用于支持Lambda），

* 它代表了一个接受两个输入参数的操作，且不返回任何结果。

* 至于它奇怪的名字，根据Java中的其他函数接口的命名规范，Bi应该是Binary的缩写，意思是二元的。

*/

default void forEach(BiConsumer<? super K, ? super V> action) {

Objects.requireNonNull(action);

for (Map.Entry<K, V> entry : entrySet()) {

K k;

V v;

try {

k = entry.getKey();

v = entry.getValue();

} catch(IllegalStateException ise) {

// this usually means the entry is no longer in the map.

throw new ConcurrentModificationException(ise);

}

action.accept(k, v);

}

}

/**

* 遍历Map，然后调用传入的函数function生成新value对旧value进行替换。

* BiFunction同样是一个函数接口，它接受两个输入参数并且返回一个结果。

*/

default void replaceAll(BiFunction<? super K, ? super V, ? extends V> function) {

Objects.requireNonNull(function);

for (Map.Entry<K, V> entry : entrySet()) {

K k;

V v;

try {

k = entry.getKey();

v = entry.getValue();

} catch(IllegalStateException ise) {

// this usually means the entry is no longer in the map.

throw new ConcurrentModificationException(ise);

}

// ise thrown from function is not a cme.

v = function.apply(k, v);

try {

entry.setValue(v);

} catch(IllegalStateException ise) {

// this usually means the entry is no longer in the map.

throw new ConcurrentModificationException(ise);

}

}

}

/**

* 如果指定的key不存在或者关联的value为null，则添加键值对。

*/

default V putIfAbsent(K key, V value) {

V v = get(key);

if (v == null) {

v = put(key, value);

}

return v;

}

/**

* 当指定key关联的value与传入的参数value相等时删除该key。

*/

default boolean remove(Object key, Object value) {

Object curValue = get(key);

if (!Objects.equals(curValue, value) ||

(curValue == null && !containsKey(key))) {

return false;

}

remove(key);

return true;

}

/**

* 当指定key关联的value与oldValue相等时，使用newValue进行替换。

*/

default boolean replace(K key, V oldValue, V newValue) {

Object curValue = get(key);

if (!Objects.equals(curValue, oldValue) ||

(curValue == null && !containsKey(key))) {

return false;

}

put(key, newValue);

return true;

}

/**

* 当指定key关联到某个value时进行替换。

*/

default V replace(K key, V value) {

V curValue;

if (((curValue = get(key)) != null) || containsKey(key)) {

curValue = put(key, value);

}

return curValue;

}

/**

* 当指定key没有关联到一个value或者value为null时，调用mappingFunction生成值并添加键值对到Map。

* Function是一个函数接口，它接受一个输入参数并返回一个结果，如果mappingFunction返回的结果

* 也为null，那么将不会调用put。

*/

default V computeIfAbsent(K key,

Function<? super K, ? extends V> mappingFunction) {

Objects.requireNonNull(mappingFunction);

V v;

if ((v = get(key)) == null) {

V newValue;

if ((newValue = mappingFunction.apply(key)) != null) {

put(key, newValue);

return newValue;

}

}

return v;

}

/**

* 当指定key关联到一个value并且不为null时，调用remappingFunction生成newValue，

* 如果newValue不为null，那么进行替换，否则删除该key。

*/

default V computeIfPresent(K key,

BiFunction<? super K, ? super V, ? extends V> remappingFunction) {

Objects.requireNonNull(remappingFunction);

V oldValue;

if ((oldValue = get(key)) != null) {

V newValue = remappingFunction.apply(key, oldValue);

if (newValue != null) {

put(key, newValue);

return newValue;

} else {

remove(key);

return null;

}

} else {

return null;

}

}

/**

* remappingFunction根据key与其相关联的value生成newValue，

* 当newValue等于null时删除该key，否则添加或者替换旧的映射。

*/

default V compute(K key,

BiFunction<? super K, ? super V, ? extends V> remappingFunction) {

Objects.requireNonNull(remappingFunction);

V oldValue = get(key);

V newValue = remappingFunction.apply(key, oldValue);

if (newValue == null) {

// delete mapping

if (oldValue != null || containsKey(key)) {

// something to remove

remove(key);

return null;

} else {

// nothing to do. Leave things as they were.

return null;

}

} else {

// add or replace old mapping

put(key, newValue);

return newValue;

}

}

/**

* 当指定key没有关联到一个value或者value为null，将它与传入的参数value

* 进行关联。否则，调用remappingFunction生成newValue并进行替换。

* 如果，newValue等于null，那么删除该key。

*/

default V merge(K key, V value,

BiFunction<? super V, ? super V, ? extends V> remappingFunction) {

Objects.requireNonNull(remappingFunction);

Objects.requireNonNull(value);

V oldValue = get(key);

V newValue = (oldValue == null) ? value :

remappingFunction.apply(oldValue, value);

if(newValue == null) {

remove(key);

} else {

put(key, newValue);

}

return newValue;

}

}

需要注意一点，这些default方法都是非线程安全的，任何保证线程安全的扩展类都必须重写这些方法，例如ConcurrentHashMap。

下图为Map的继承关系结构图，它也是本文接下来将要分析的Map实现类的大纲，这些实现类都是比较常用的，在JDK中Map的实现类有几十个，大部分都是我们用不到的，限于篇幅原因就不一一讲解了（本文包含许多源码与对实现细节的分析，建议读者抽出一段连续的空闲时间静下心来慢慢阅读）。