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Java 集合框架：HashMap 与 Map 体系深度解析

news 2025/11/7 14:40:40

Java-day14

引入

在 Java 集合框架中，Map 体系以“键值对（Key-Value）”的存储形式，成为处理“映射关系”的核心工具。其中，`HashMap` 凭借“高效的查询性能”和“灵活的使用场景”，成为 Map 体系中最常用的实现类。本文将围绕 `HashMap` 展开，从底层数据结构、核心方法到与其他 Map 实现的对比，全面解析其设计逻辑与实战技巧，帮助读者掌握“键值对”数据的高效处理方式。

一、HashMap 底层原理与核心特点

1.1 底层数据结构：数组 + 链表 + 红黑树（JDK 8+）

JDK 7 及之前：底层是数组 + 链表。数组（称为“桶”）存储链表的头节点，链表解决哈希冲突（不同 Key 哈希后落到同一桶）。

JDK 8 及之后：优化为**数组 + 链表 + 红黑树**。当链表长度超过阈值（默认 8）且数组长度≥64 时，链表会转换为**红黑树**（查询时间复杂度从 O(n) 优化为 O(logn)）。

1.2 HashMap 核心特点

存储形式：以 Key-Value 键值对存储，Key 不允许重复（重复则覆盖 Value），Value 允许重复；

无序性：插入顺序与取出顺序不一致；

null 支持：Key 和 Value 都允许为 null，但 Key 只能有一个 null；

线程不安全：多线程环境下可能出现死循环、数据丢失等问题（需用 `ConcurrentHashMap` 替代）。

二、HashMap 核心方法与实战

import java.util.HashMap;import java.util.Map;public class HashMapDemo {public static void main(String[] args) {// 创建 HashMap 集合（泛型指定 Key 为 String，Value 为 Integer）HashMap<String, Integer> map = new HashMap<>();// 1. 添加键值对：put(K key, V value)map.put("Tom", 100);map.put("Jim", 90);map.put("Sam", 95);System.out.println("添加后：" + map); // 输出：{Tom=100, Jim=90, Sam=95}// Key 重复时，Value 会被覆盖map.put("Tom", 85);System.out.println("覆盖后：" + map); // 输出：{Tom=85, Jim=90, Sam=95}// 2. 获取 Value：get(Object key)Integer score = map.get("Jim");System.out.println("Jim 的分数：" + score); // 输出：90// 3. 获取键值对数量：size()System.out.println("键值对数量：" + map.size()); // 输出：3// 4. 清空集合：clear()// map.clear();// System.out.println("清空后大小：" + map.size()); // 输出：0// 5. 判断是否为空：isEmpty()System.out.println("是否为空：" + map.isEmpty()); // 输出：false// 6. 删除键值对：remove(Object key)map.remove("Sam");System.out.println("删除后：" + map); // 输出：{Tom=85, Jim=90}// 7. 判断是否包含 Key/Value：containsKey()、containsValue()System.out.println("是否包含 Key 'Tom'：" + map.containsKey("Tom")); // 输出：trueSystem.out.println("是否包含 Value 90：" + map.containsValue(90)); // 输出：true// 8. 批量添加键值对：putAll(Map<? extends K, ? extends V> m)HashMap<String, Integer> map2 = new HashMap<>();map2.put("Lily", 92);map2.put("Lucy", 88);map.putAll(map2);System.out.println("批量添加后：" + map); // 输出：{Tom=85, Jim=90, Lily=92, Lucy=88}// 9. 替换 Value：replace(K key, V value)map.replace("Lily", 95);System.out.println("替换后：" + map); // 输出：{Tom=85, Jim=90, Lily=95, Lucy=88}

       // 10. 遍历 HashMap（三种方式）// 方式1：遍历 Key 集合System.out.print("遍历 Key：");for (String key : map.keySet()) {System.out.print(key + " "); // 输出：Tom Jim Lily Lucy}System.out.println();

  // 方式2：遍历 Value 集合System.out.print("遍历 Value：");for (Integer val : map.values()) {System.out.print(val + " "); // 输出：85 90 95 88}System.out.println();

   // 方式3：遍历 Entry 键值对System.out.println("遍历 Entry：");for (Map.Entry<String, Integer> entry : map.entrySet()) {System.out.println(entry.getKey() + " = " + entry.getValue());}}}

三、TreeMap：有序的 Map 实现

3.1 TreeMap 底层原理与特点

数据结构：基于红黑树实现，自动对 Key 进行排序；

排序规则：

默认按 Key 的自然顺序排序（如 `Integer` 升序、`String` 字母序）；

可通过构造函数指定自定义比较器（Comparator）。

3.2 TreeMap 核心用法示例

import java.util.Map;import java.util.TreeMap;public class TreeMapDemo {public static void main(String[] args) {// 自然排序（Integer 升序）TreeMap<Integer, String> treeMap1 = new TreeMap<>();treeMap1.put(3, "C");treeMap1.put(1, "A");treeMap1.put(2, "B");System.out.println("自然排序：" + treeMap1); // 输出：{1=A, 2=B, 3=C}// 自然排序（String 字母序）TreeMap<String, Integer> treeMap2 = new TreeMap<>();treeMap2.put("orange", 3);treeMap2.put("apple", 1);treeMap2.put("pear", 2);System.out.println("自然排序：" + treeMap2); // 输出：{apple=1, orange=3, pear=2}// 自定义比较器（Person 按姓名长度排序）TreeMap<Person, String> treeMap3 = new TreeMap<>((p1, p2) -> {return Integer.compare(p1.name.length(), p2.name.length());});treeMap3.put(new Person("Tom"), "A");treeMap3.put(new Person("Bob"), "B");treeMap3.put(new Person("Lily"), "C");for (Person p : treeMap3.keySet()) {System.out.println(p.name); // 输出：Bob Tom Lily}}}class Person {String name;Person(String name) {this.name = name;}}

四、Hashtable：遗留的线程安全 Map 实现

4.1 Hashtable 特点与局限

线程安全：所有方法加 `synchronized` 同步锁，多线程环境下安全；

限制：Key 和 Value 都不允许为 null，否则抛 `NullPointerException`；

性能：因同步锁导致性能低于 `HashMap`；

现状：属于 Java 遗留类，不建议在新代码中使用（可改用 `ConcurrentHashMap`）。

4.2 Hashtable 与 HashMap 核心区别

特性	HashMap	Hashtable
线程安全	不安全	安全（同步锁）
null 支持	Key/Value 可空（Key 仅一个 null）	不支持 null
初始容量	16	11
扩容机制	原容量 × 1.5	原容量 × 2 + 1
迭代器	快速失败（fail-fast）	安全失败（fail-safe）
性能	高	低（同步开销）

五、Map 集合选型建议

集合类	底层结构	线程安全	排序性	null 支持	适用场景
HashMap	数组 + 链表 + 红黑树	不安全	无序	支持	通用键值对存储，查询频繁场景
TreeMap	红黑树	不安全	有序	支持	需按键排序的场景
Hashtable	数组 + 链表	安全	无序	不支持	遗留系统维护（不推荐新用）
ConcurrentHashMap	分段锁 + 数组 + 链表 + 红黑树	安全	无序	支持	多线程键值对存储