Java容器篇小結之Map自問自答

採用問答的方式對常見的問題進行整理小結

I. Map篇

0. 什麼是Map

看到這個有點懵逼，一時還真不知道怎麼解釋，能讓徹底沒有接觸過的人都能聽懂

想到生活中一個有意思的場景，和咱們使用Map很是像，拿着新華詞典查字

咱們這裏以拼音方式查詢字時，通常步驟以下:

1. 首前後獲取字的拼音
2. 經過拼音，查詢到字對應的頁碼
3. 在頁碼中查到對應的字的解釋

再轉換看一下Map的工做原理（主要是HashMap）

1. 經過hash()計算key，得出一個hash值(同字轉拼音)

2. 經過hash值，獲取Node在數組中的索引 （同經過拼音獲取頁碼）

3. 獲取Node，而後遍歷Node#next，查到咱們須要的節點（同在頁碼中找到對應的字）

   • 這裏獲取的Node是一個鏈表頭(jdk8中作過優化，可能爲紅黑樹，爲簡單起見，以鏈表說明），若是沒有hash碰撞，這個鏈表就一個節點；若hash碰撞了，則將這些碰撞的節點串成一個鏈表

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1. 常見的map有那些

JDK中實現了一些可以覆蓋絕大部分場景的Map容器，羅列一些常見的以下

• HashMap: 主要是利用key的hash來定位對應的元素
• HashTable
• EnumMap : key爲枚舉的map，根據枚舉的ordinal做爲定位對應的元素 （用的比較少，後面不歸入分析範疇）
• TreeMap
• LinkedHashMap
• ConcurrentHashMap

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2. 根據不一樣的分類方式，對上面的map進行劃分

根據是否線程安全進行分類

線程安全	非線程安全
HashTable, ConcurrentHashMap	HashMap, TreeMap, LinkedHashMap

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根據Map是否有序進行分類

有序	無序
TreeMap, LinkedHashMap	HashMap, ConcurrentHashMap, HashTable

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根據key怎麼獲取對應的元素

hash定位	其餘定位
HashTable, ConcurrentHashMap, HashMap, LinkedHashMap	TreeMap

TreeMap比較有意思，要求指定一個比較器，或者key可自比較，並且若是塞入兩個不一樣的kv對，可是key經過比較器發現相等時，會用後入的kv對中的value替換前面的那個,即定位是根據比較器來的

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根據底層數據結構進行分類

數組+鏈表	樹
HashTable, ConcurrentHashMap, HashMap, LinkedHashMap	TreeMap

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3. HashMap怎麼用，如何實現的

>>> 如何使用

最最多見的使用方式，三把斧便可，以下

// 1. 建立一個Map對象
Map<String, String> map = new HashMap<>();

// 2. 塞入kv數據對
map.put("key", "value");

// 3. 取出key對應的數據
String value = map.get("key");

其次就是使用的注意事項

• Map中key和value均可覺得null，可是如若不是需求場景中，必需要塞null，不然就不要這麼幹；由於使用時，若是漏了null判斷，很是容易產生npe
• 若是能知道這個Map中大概會存多少數據，就在初始化時，指定容量（避免頻繁的擴容，致使的性能開銷）
• 非線程安全（如須要線程安全，採用ConcurrentHashMap，不要用HashTable）
• 無序（如須要有序，採用TreeMap, LinkedHashMap，實際後者用得更多）

此外分享一個實際項目中關於HashMap的一個優化點

通常來講，HashMap的get(key)方法是O(1)時間開銷，可是因爲獲取對應value，會頻繁的計算hash值，且不可避免的會產生Hash碰撞，這些都是會有額外的開銷（cpu和時間開銷）

咱們的一個應用中，存在大量的配置開關（用與各類預案，各類場景的切換）存在一個大的HashMap中，致使每次提供服務時，都會去這個Map中屢次查詢Map中的配置值，咱們作的優化是將Map映射到一個配置類，以此減小頻繁的hash操做

遺憾的是最後性能提高並非特別明顯，也就1-2毫秒的樣子...(若是系統的rt要求特別嚴格的能夠考慮從這個方面出發)

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>>> 如何實現的

簡單來說，從兩個點出發，一是數據結構，二是如何向其中添加和取數據

底層存儲結構以下圖：

數組+鏈表（or紅黑樹），數組的容量，必然爲2的n次方

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讀寫數據：

• 經過hash方法獲取key對應的hash值
• hash值對數組長度取模，即爲kv可能在數組中出現位置
• 獲取數組中對應索引的元素Node，判斷是否爲咱們須要的
  • 判斷規則：hash值相同，key相同，or equals()判斷相等
  • 若Node不知足，則判斷Node#next對應的Node節點
  • 直到找到匹配的值，or壓根就木有時，才返回

另一點就是擴容

• 當塞入一個數據後，Map中元素的個數大於 capacity * loadFactor (通常是容量*0.75)，則數組會出現擴容，擴爲原來的兩倍
• 擴容後，原來的Node節點可能會向後移（新的索引爲hash值對新的容量取模）

4. HashTable和ConcurrentHashMap的安全保證是怎樣的，有什麼區別

二者都是線程安全的，但底層的實現原理確實徹底不一樣

• HashTable
  • 全部方法上加上 synchronized 關鍵字，實行加鎖同步
• ConcurrentHashMap
  • 寫使用分段鎖機制，把整個哈希表切分紅段segment(默認爲16段)，每段有一個鎖，最多能夠同時有16個寫線程。而讀不受限制

5. HashMap是否有序，如何保證有序

HashMap無序，但實際的業務場景中，須要有序的地方還很多，通常來將，常見的順序要求是根據前後塞入Map容器的順序來肯定，此時能夠考慮採用 LinkedHashMap，確保先塞入Map的，在遍歷時，優先出來

若是有比較複雜的排序場景，則能夠採用TreeMap，使用的時候須要額外注意一些使用事項

6. 幾種遍歷方式

通常遍歷就是下面三中場景了

// 遍歷kv
for(Map.Entry<String, String> entry: map.entrySet()) {
// ....
}

// 遍歷key值
for(Object key : map.keySet()) {
  // xxx
}

// 遍歷value值
for(Object value: map.values()) {
  // xxxx
}

根據不一樣的場景選擇遍歷方式

• 若是須要kv，則遍歷EntrySet
• 若是隻須要key， 則遍歷 KeySet
• 若是隻須要value，則遍歷 ValueSet

上面的遍歷過程當中，都是不容許對Map進行增刪操做的，不然會拋一個併發修改異常；若是在遍歷過程當中，須要根據對應的值，作一些處理，採用迭代器方式, 一個demo以下

Map<String, String> map = new HashMap<>();
// ....
Iterator<Map.Entry<String, String>> iterator = map.entrySet().iterator();
while (iterator.hasNext()) {
    Map.Entry<String, String> entry = iterator.next();
    iterator.remove();
    iterator.next();
}

7. 如何設計一個線程安全的HashMap

蛋疼的問題，真要本身來設計的話，最簡單的就是HashTable這種全加鎖的機制；可是這種實際是強制使多線程串行工做了，若是須要併發工做呢？

除了ConcurrentHashMap的鎖分段機制，感受能夠參考CopyOnWriteArrayList的實現方式，來一個CopyOnWriteHashMap，對寫進行加鎖，讀無鎖，具體的實現，有待完善...

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