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数据结构-HashMap

news 2025/8/22 11:23:02

在 Java 键值对（Key-Value）集合中，HashMap 是使用频率最高的实现类之一，凭借高效的查找、插入性能，成为日常开发的 “利器”。本文将从 HashMap 的底层原理、核心特点、常用方法到遍历方式、使用注意事项，进行系统性梳理，帮助快速掌握其核心逻辑与实战技巧。

一、HashMap 核心认知：底层原理与特点

HashMap 本质是哈希表（数组 + 链表 / 红黑树） 实现的键值对存储结构，核心目标是通过 “哈希算法” 快速定位元素，平衡查询与增删效率。其核心特点如下：

1. 底层存储结构（JDK 1.8+）

  • 基础结构：数组（称为 “哈希桶”）+ 链表 + 红黑树。
    • 数组：每个元素是一个 “链表头节点”，通过 key 的哈希值计算数组索引（index = (数组长度 - 1) & 哈希值），实现快速定位。
    • 链表：当多个 key 计算出相同索引（哈希冲突）时，元素以链表形式存储在对应桶中。
    • 红黑树：当链表长度超过 8 且数组长度 ≥ 64 时，链表会转为红黑树，将查询时间复杂度从 O (n) 优化为 O (log n)（避免链表过长导致性能下降）。
  • 示意图简化理解：
数组索引 0：[Node(key1, val1)] → [Node(key2, val2)]  // 链表（长度<8）
数组索引 1：[TreeNode(key3, val3)] → 红黑树结构       // 红黑树（长度≥8）
数组索引 2：null
...

2. 核心特点

  1. 键值对规则：
    • Key 唯一：若添加重复 Key，新 Value 会覆盖旧 Value（put() 方法返回旧 Value）。
    • Value 可重复：不同 Key 可对应相同 Value。
    • 允许 null：Key 最多允许 1 个 null（重复添加 null Key 会覆盖），Value 可多个 null。
  2. 无序性：存储顺序与插入顺序无关（底层按哈希值排序，非插入顺序）。
  3. 线程不安全：非同步设计，多线程同时读写可能出现数据异常（如 ConcurrentModificationException），需手动处理线程安全（如 Collections.synchronizedMap() 或 ConcurrentHashMap）。
  4. 自动扩容：
    • 默认初始容量：16（数组长度，必须是 2 的幂，确保哈希计算均匀）。
    • 负载因子：默认 0.75（当元素数量 ≥ 容量 × 负载因子时触发扩容）。
    • 扩容规则：新容量 = 旧容量 × 2，同时重新计算所有元素的哈希索引（“rehash”），会消耗一定性能。
  5. 高效性能：
    • 理想情况下，插入、查询、删除的时间复杂度均为 O(1)（直接通过哈希值定位桶）。
    • 哈希冲突较少时，性能接近理想值；冲突严重（链表过长）时，性能会下降（红黑树优化可缓解此问题）。

二、HashMap 常用方法

HashMap 提供了丰富的方法操作键值对，以下是开发中最常用的方法，均附完整示例代码，可直接复制运行。

1. 基础操作：添加、获取、删除

（1）添加键值对（put ()）
  • V put(K key, V value)：添加键值对，若 Key 已存在则覆盖 Value，返回旧 Value（若 Key 不存在则返回 null）。
  • void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m)：将另一个同类型 Map 的所有键值对添加到当前 HashMap 中（重复 Key 会被覆盖）。
import java.util.HashMap;public class HashMapPutDemo {public static void main(String[] args) {// 1. 单个键值对添加HashMap<String, Integer> scoreMap = new HashMap<>();Integer oldMathScore = scoreMap.put("数学", 90); // Key 不存在，返回 nullSystem.out.println("旧数学成绩：" + oldMathScore); // 输出：nullscoreMap.put("语文", 85);scoreMap.put("英语", 95);System.out.println("添加后：" + scoreMap); // 输出：{数学=90, 语文=85, 英语=95}// 重复 Key 覆盖：数学成绩从 90 改为 98Integer updatedOldScore = scoreMap.put("数学", 98);System.out.println("被覆盖的旧数学成绩：" + updatedOldScore); // 输出：90System.out.println("覆盖后：" + scoreMap); // 输出：{数学=98, 语文=85, 英语=95}// 2. 批量添加（putAll()）HashMap<String, Integer> extraScoreMap = new HashMap<>();extraScoreMap.put("物理", 88);extraScoreMap.put("化学", 92);scoreMap.putAll(extraScoreMap);System.out.println("批量添加后：" + scoreMap); // 输出：{数学=98, 语文=85, 英语=95, 物理=88, 化学=92}}
}
（2）获取值与判断存在（get ()、containsKey ()、containsValue ()）
  • V get(Object key)：根据 Key 获取 Value，若 Key 不存在则返回 null（注意：若 Value 本身是 null，需用 containsKey() 区分 “Key 不存在” 和 “Value 为 null”）。
  • boolean containsKey(Object key)：判断 HashMap 是否包含指定 Key，返回布尔值。
  • boolean containsValue(Object value)：判断 HashMap 是否包含指定 Value，返回布尔值。
public class HashMapGetContainsDemo {public static void main(String[] args) {HashMap<String, Integer> scoreMap = new HashMap<>();scoreMap.put("数学", 98);scoreMap.put("语文", 85);scoreMap.put("生物", null); // Value 为 null// 1. 根据 Key 获取 ValueInteger mathScore = scoreMap.get("数学");Integer historyScore = scoreMap.get("历史"); // Key 不存在Integer bioScore = scoreMap.get("生物"); // Value 本身是 nullSystem.out.println("数学成绩：" + mathScore); // 输出：98System.out.println("历史成绩（Key 不存在）：" + historyScore); // 输出：nullSystem.out.println("生物成绩（Value 为 null）：" + bioScore); // 输出：null// 2. 判断 Key 是否存在（区分“Key 不存在”和“Value 为 null”）boolean hasBioKey = scoreMap.containsKey("生物");boolean hasHistoryKey = scoreMap.containsKey("历史");System.out.println("是否包含 Key '生物'：" + hasBioKey); // 输出：trueSystem.out.println("是否包含 Key '历史'：" + hasHistoryKey); // 输出：false// 3. 判断 Value 是否存在boolean has98 = scoreMap.containsValue(98);boolean has100 = scoreMap.containsValue(100);System.out.println("是否包含 Value 98：" + has98); // 输出：trueSystem.out.println("是否包含 Value 100：" + has100); // 输出：false}
}
（3）删除键值对（remove ()）
  • V remove(Object key)：根据 Key 删除键值对，返回被删除的 Value（若 Key 不存在则返回 null）。
public class HashMapRemoveDemo {public static void main(String[] args) {HashMap<String, Integer> scoreMap = new HashMap<>();scoreMap.put("数学", 98);scoreMap.put("语文", 85);scoreMap.put("英语", 95);// 删除 Key 为“语文”的键值对Integer removedChineseScore = scoreMap.remove("语文");System.out.println("被删除的语文成绩：" + removedChineseScore); // 输出：85System.out.println("删除后：" + scoreMap); // 输出：{数学=98, 英语=95}// 删除不存在的 KeyInteger removedHistoryScore = scoreMap.remove("历史");System.out.println("删除不存在的 Key 返回值：" + removedHistoryScore); // 输出：null}
}

2. 进阶操作：修改、清空、判断空否

（1）修改 Value（replace ()）
  • V replace(K key, V value)：仅当 Key 存在时，用新 Value 替换旧 Value，返回旧 Value（若 Key 不存在则返回 null，区别于 put()：put() 会新增不存在的 Key）。
public class HashMapReplaceDemo {public static void main(String[] args) {HashMap<String, Integer> scoreMap = new HashMap<>();scoreMap.put("数学", 98);scoreMap.put("英语", 95);// 修改存在的 Key（英语成绩从 95 改为 97）Integer oldEnglishScore = scoreMap.replace("英语", 97);System.out.println("被修改的旧英语成绩：" + oldEnglishScore); // 输出：95System.out.println("修改后：" + scoreMap); // 输出：{数学=98, 英语=97}// 修改不存在的 Key（不会新增，返回 null）Integer oldHistoryScore = scoreMap.replace("历史", 80);System.out.println("修改不存在的 Key 返回值：" + oldHistoryScore); // 输出：nullSystem.out.println("修改后集合：" + scoreMap); // 输出：{数学=98, 英语=97}（无变化）}
}
（2）清空与判断空否（clear ()、isEmpty ()、size ()）
  • void clear()：清空 HashMap 中所有键值对（集合变为空，对象本身仍存在）。
  • boolean isEmpty()：判断 HashMap 是否为空（元素个数为 0），返回布尔值。
  • int size()：返回 HashMap 中键值对的实际个数（区别于 “容量”）。
public class HashMapClearEmptySizeDemo {public static void main(String[] args) {HashMap<String, Integer> scoreMap = new HashMap<>();scoreMap.put("数学", 98);scoreMap.put("英语", 97);// 1. 获取集合大小System.out.println("初始元素个数：" + scoreMap.size()); // 输出：2// 2. 判断是否为空System.out.println("初始是否为空：" + scoreMap.isEmpty()); // 输出：false// 3. 清空集合scoreMap.clear();System.out.println("清空后元素个数：" + scoreMap.size()); // 输出：0System.out.println("清空后是否为空：" + scoreMap.isEmpty()); // 输出：true}
}

3. HashMap 三种核心遍历方式

HashMap 存储的是 “键值对（Entry）”，遍历需围绕 “Key 集合”“Value 集合”“Entry 集合” 展开，三种常用方式如下：

（1）遍历 Key 集合，再获取 Value（keySet ()）

通过 keySet() 获取所有 Key 的集合，遍历 Key 后用 get(key) 获取对应 Value，适合仅需 Key 或需通过 Key 处理 Value 的场景。

public class HashMapKeySetDemo {public static void main(String[] args) {HashMap<String, Integer> scoreMap = new HashMap<>();scoreMap.put("数学", 98);scoreMap.put("语文", 85);scoreMap.put("英语", 97);// 遍历 Key 集合for (String subject : scoreMap.keySet()) {Integer score = scoreMap.get(subject);System.out.println(subject + "：" + score);}// 输出（顺序不固定）：// 数学：98// 语文：85// 英语：97}
}
（2）直接遍历 Entry 集合（entrySet ()）

通过 entrySet() 获取所有键值对（Map.Entry<K, V>）的集合，直接获取 Key 和 Value，效率最高（无需二次 get(key) 查询），是开发首选。

public class HashMapEntrySetDemo {public static void main(String[] args) {HashMap<String, Integer> scoreMap = new HashMap<>();scoreMap.put("数学", 98);scoreMap.put("语文", 85);scoreMap.put("英语", 97);// 遍历 Entry 集合（推荐）for (HashMap.Entry<String, Integer> entry : scoreMap.entrySet()) {String subject = entry.getKey(); // 获取 KeyInteger score = entry.getValue(); // 获取 ValueSystem.out.println(subject + "：" + score);}// 输出（顺序不固定）：// 数学：98// 语文：85// 英语：97}
}
（3）遍历 Value 集合（values ()）

通过 values() 获取所有 Value 的集合，仅遍历 Value，适合无需 Key、仅需处理 Value 的场景（无法通过 Value 反向获取 Key）。

public class HashMapValuesDemo {public static void main(String[] args) {HashMap<String, Integer> scoreMap = new HashMap<>();scoreMap.put("数学", 98);scoreMap.put("语文", 85);scoreMap.put("英语", 97);// 遍历 Value 集合System.out.println("所有成绩：");for (Integer score : scoreMap.values()) {System.out.println(score);}// 输出（顺序不固定）：// 98// 85// 97}
}

三、HashMap 使用注意事项

  1. Key 的选择原则：

    • Key 必须重写 hashCode() 和 equals() 方法（否则无法正确判断 Key 唯一性，导致哈希冲突无法解决）。
    • 推荐使用不可变类作为 Key（如 String、Integer）：若 Key 是可变对象，修改后哈希值变化，会导致无法通过原 Key 获取 Value。
    • 示例：若用 User 类作为 Key，需手动重写方法：
class User {private String id;// 重写 hashCode() 和 equals()@Overridepublic int hashCode() { return id.hashCode(); }@Overridepublic boolean equals(Object o) {if (this == o) return true;if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false;User user = (User) o;return Objects.equals(id, user.id);}
}

  1. null 键值的注意事项：

    • Key 最多 1 个 null，重复添加会覆盖；Value 可多个 null。
    • 用 get(key) 获取 Value 时，若返回 null，需通过 containsKey(key) 确认是 “Key 不存在” 还是 “Value 为 null”。

  2. 线程安全问题：

    • 单线程环境：直接使用 HashMap 即可。
    • 多线程环境：
      • 若需弱一致性：使用 Collections.synchronizedMap(new HashMap<>())（对整个 HashMap 加锁，性能较低）。
      • 若需高性能：优先使用 ConcurrentHashMap（JDK 1.8+ 采用分段锁，性能优于同步 HashMap）。

  3. 性能优化技巧：

    • 初始容量指定：若已知元素数量，创建时指定初始容量（如 new HashMap<>(100)），避免频繁扩容（扩容需 rehash，消耗性能）。
    • 负载因子调整：默认 0.75 是 “性能与空间” 的平衡，若内存充足可降低（如 0.5，减少哈希冲突），若内存紧张可提高（如 0.8，减少数组占用空间）。
    • 避免哈希冲突：合理重写 Key 的 hashCode() 方法，尽量让哈希值均匀分布，减少链表 / 红黑树的长度。

与 TreeMap/Hashtable 的区别（避免混淆）：

特性HashMapTreeMapHashtable（不推荐）
排序无序（按哈希值）有序（Key 自然排序 / 自定义排序）无序
线程安全非线程安全非线程安全线程安全（全方法同步）
null 允许Key 1 个 null，Value 多个 null不允许 null不允许 null
底层结构数组 + 链表 / 红黑树红黑树数组 + 链表
适用场景通用高效查询需要有序键值对遗留多线程场景（已被 ConcurrentHashMap 替代）

四、总结

HashMap 是 Java 键值对集合的核心实现，核心优势在于 “哈希表” 带来的 O (1) 高效性能，适合大多数无需有序、单线程的键值对存储场景。掌握其底层结构（数组 + 链表 / 红黑树）、常用方法（put/get/remove/ 遍历）及使用注意事项（Key 重写方法、线程安全、性能优化），就能在开发中灵活应对各类场景。

http://www.dtcms.com/a/343224.html

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