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Map總結

2019-11-11 01:40:33
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來源:轉載
供稿:網友

 在前面LZ詳細介紹了HashMap、HashTable、TreeMap的實現方法,從數據結構、實現原理、源碼分析三個方面進行闡述,對這個三個類應該有了比較清晰的了解,下面LZ就Map做一個簡單的總結。

        推薦閱讀:

        java提高篇(二三)—–HashMap

        java提高篇(二五)—–HashTable

        Java提高篇(二六)-----hashCode

        Java提高篇(二七)—–TreeMap

一、Map概述

        首先先看Map的結構示意圖

        Map:“鍵值”對映射的抽象接口。該映射不包括重復的鍵,一個鍵對應一個值。

        SortedMap:有序的鍵值對接口,繼承Map接口。

        NavigableMap:繼承SortedMap,具有了針對給定搜索目標返回最接近匹配項的導航方法的接口。

        AbstractMap:實現了Map中的絕大部分函數接口。它減少了“Map的實現類”的重復編碼。

        Dictionary:任何可將鍵映射到相應值的類的抽象父類。目前被Map接口取代。

        TreeMap:有序散列表,實現SortedMap 接口,底層通過紅黑樹實現。

        HashMap:是基于“拉鏈法”實現的散列表。底層采用“數組+鏈表”實現。

        WeakHashMap:基于“拉鏈法”實現的散列表。

        HashTable:基于“拉鏈法”實現的散列表。

        總結如下:

        他們之間的區別:

二、內部哈希: 哈希映射技術

        幾乎所有通用Map都使用哈希映射技術。對于我們程序員來說我們必須要對其有所了解。

        哈希映射技術是一種就元素映射到數組的非常簡單的技術。由于哈希映射采用的是數組結果,那么必然存在一中用于確定任意鍵訪問數組的索引機制,該機制能夠提供一個小于數組大小的整數,我們將該機制稱之為哈希函數。在Java中我們不必為尋找這樣的整數而大傷腦筋,因為每個對象都必定存在一個返回整數值的hashCode方法,而我們需要做的就是將其轉換為整數,然后再將該值除以數組大小取余即可。如下:

[java] view plain copyint hashValue = Maths.abs(obj.hashCode()) % size;  下面是HashMap、HashTable的:

[java] view plain copy----------HashMap------------  //計算hash值  static int hash(int h) {      h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);      return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);  }  //計算key的索引位置  static int indexFor(int h, int length) {          return h & (length-1);  }  -----HashTable--------------  int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;     //確認該key的索引位置  

 位置的索引就代表了該節點在數組中的位置。下圖是哈希映射的基本原理圖:

         在該圖中1-4步驟是找到該元素在數組中位置,5-8步驟是將該元素插入數組中。在插入的過程中會遇到一點點小挫折。在眾多肯能存在多個元素他們的hash值是一樣的,這樣就會得到相同的索引位置,也就說多個元素會映射到相同的位置,這個過程我們稱之為“沖突”。解決沖突的辦法就是在索引位置處插入一個鏈接列表,并簡單地將元素添加到此鏈接列表。當然也不是簡單的插入,在HashMap中的處理過程如下:獲取索引位置的鏈表,如果該鏈表為null,則將該元素直接插入,否則通過比較是否存在與該key相同的key,若存在則覆蓋原來key的value并返回舊值,否則將該元素保存在鏈頭(最先保存的元素放在鏈尾)。下面是HashMap的put方法,該方法詳細展示了計算索引位置,將元素插入到適當的位置的全部過程:

[java] view plain copypublic V put(K key, V value) {          //當key為null,調用putForNullKey方法,保存null與table第一個位置中,這是HashMap允許為null的原因          if (key == null)              return putForNullKey(value);          //計算key的hash值          int hash = hash(key.hashCode());                           //計算key hash 值在 table 數組中的位置          int i = indexFor(hash, table.length);                      //從i出開始迭代 e,判斷是否存在相同的key          for (Entry<K, V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {              Object k;              //判斷該條鏈上是否有hash值相同的(key相同)              //若存在相同,則直接覆蓋value,返回舊value              if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {                  V oldValue = e.value;    //舊值 = 新值                  e.value = value;                  e.recordaccess(this);                  return oldValue;     //返回舊值              }          }          //修改次數增加1          modCount++;          //將key、value添加至i位置處          addEntry(hash, key, value, i);          return null;      }  

         HashMap的put方法展示了哈希映射的基本思想,其實如果我們查看其它的Map,發現其原理都差不多!

三、Map優化

         首先我們這樣假設,假設哈希映射的內部數組的大小只有1,所有的元素都將映射該位置(0),從而構成一條較長的鏈表。由于我們更新、訪問都要對這條鏈表進行線性搜索,這樣勢必會降低效率。我們假設,如果存在一個非常大數組,每個位置鏈表處都只有一個元素,在進行訪問時計算其 index 值就會獲得該對象,這樣做雖然會提高我們搜索的效率,但是它浪費了控件。誠然,雖然這兩種方式都是極端的,但是它給我們提供了一種優化思路:使用一個較大的數組讓元素能夠均勻分布。在Map有兩個會影響到其效率,一是容器的初始化大小、二是負載因子。

3.1、調整實現大小

         在哈希映射表中,內部數組中的每個位置稱作“存儲桶”(bucket),而可用的存儲桶數(即內部數組的大小)稱作容量 (capacity),我們為了使Map對象能夠有效地處理任意數的元素,將Map設計成可以調整自身的大小。我們知道當Map中的元素達到一定量的時候就會調整容器自身的大小,但是這個調整大小的過程其開銷是非常大的。調整大小需要將原來所有的元素插入到新數組中。我們知道index = hash(key) % length。這樣可能會導致原先沖突的鍵不在沖突,不沖突的鍵現在沖突的,重新計算、調整、插入的過程開銷是非常大的,效率也比較低下。所以,如果我們開始知道Map的預期大小值,將Map調整的足夠大,則可以大大減少甚至不需要重新調整大小,這很有可能會提高速度。下面是HashMap調整容器大小的過程,通過下面的代碼我們可以看到其擴容過程的復雜性:

[java] view plain copyvoid resize(int newCapacity) {              Entry[] oldTable = table;    //原始容器              int oldCapacity = oldTable.length;    //原始容器大小              if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {     //是否超過最大值:1073741824                  threshold = Integer.MAX_VALUE;                  return;              }                //新的數組:大小為 oldCapacity * 2              Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];                  transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));              table = newTable;             /*             * 重新計算閥值 =  newCapacity * loadFactor >  MAXIMUM_CAPACITY + 1 ?              *                         newCapacity * loadFactor :MAXIMUM_CAPACITY + 1             */              threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);             }                    //將元素插入到新數組中          void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {              int newCapacity = newTable.length;              for (Entry<K,V> e : table) {                  while(null != e) {                      Entry<K,V> next = e.next;                      if (rehash) {                          e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);                      }                      int i = indexFor(e.hash, newCapacity);                      e.next = newTable[i];                      newTable[i] = e;                      e = next;                  }              }          }  

3.2、負載因子

         為了確認何時需要調整Map容器,Map使用了一個額外的參數并且粗略計算存儲容器的密度。在Map調整大小之前,使用”負載因子”來指示Map將會承擔的“負載量”,也就是它的負載程度,當容器中元素的數量達到了這個“負載量”,則Map將會進行擴容操作。負載因子、容量、Map大小之間的關系如下:負載因子 * 容量 > map大小  ----->調整Map大小。

         例如:如果負載因子大小為0.75(HashMap的默認值),默認容量為11,則 11 * 0.75 = 8.25 = 8,所以當我們容器中插入第八個元素的時候,Map就會調整大小。

        負載因子本身就是在控件和時間之間的折衷。當我使用較小的負載因子時,雖然降低了沖突的可能性,使得單個鏈表的長度減小了,加快了訪問和更新的速度,但是它占用了更多的控件,使得數組中的大部分控件沒有得到利用,元素分布比較稀疏,同時由于Map頻繁的調整大小,可能會降低性能。但是如果負載因子過大,會使得元素分布比較緊湊,導致產生沖突的可能性加大,從而訪問、更新速度較慢。所以我們一般推薦不更改負載因子的值,采用默認值0.75.

最后

        推薦閱讀:

        java提高篇(二三)—–HashMap

        java提高篇(二五)—–HashTable

        Java提高篇(二六)-----hashCode

        Java提高篇(二七)—–TreeMap


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