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）。
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