详细解读Java中Map集合的底层原理（干货+源码解读）

川长思鸟来 2024-03-17 11:23 16阅读 0赞

**本文将为大家详细讲解Java中的Map集合，这是我们进行开发时经常用到的知识点，也是大家在学习Java中很重要的一个知识点，更是我们在面试时有可能会问到的问题。**

**文章较长，干货满满，建议大家收藏慢慢学习。文末有本文重点总结，主页有全系列文章分享。技术类问题，欢迎大家和我们一起交流讨论！**

## 前言 ##

在上一篇文章中给大家讲解了Java里的Set集合及其常用子类。

现在我们已经掌握了Java里的两大集合，最后还有另一大集合等待着我们学习，这就是Map集合。与之前的集合不太一样，Map集合属于双列集合，该集合中的信息是key-value形式；而之前的LIst和Set都是单列集合，里面的元素没有key。

有些小伙伴可能会很好奇，我们已经学习了List和Set集合了，**为什么还要再搞出来一个Map集合呢？Map集合与Collection集合又有什么不同呢？** 要想搞清楚以上问题，我们可以考虑这么一个需求。

假如我们利用List集合，来存储一份Student学生信息，要求你根据name来查找某个指定的学生分数，你要怎么实现？按照我们之前的经验，常用的方式就是遍历这个List，并挨个判断name是否相等，找到后就返回指定元素。

其实这种需求非常的常见，通过一个关键词来查询对应的值。如果我们使用List来实现该需求，效率会非常的低，因为平均需要扫描完集合的一半元素才能确定。而如果使用Map这种key-value键值对映射表的数据结构，就可以通过key快速地查找到value值。

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全文大约【**8500】** 字，不说废话，只讲可以让你学到技术、明白原理的纯干货！本文带有丰富的案例及配图视频，让你更好地理解和运用文中的技术概念，并可以给你带来具有足够启迪的思考…

## 一. Map集合 ##

### 1. 简介 ###

Map集合是一种以键值对形式存储和操作数据的数据结构，建立了key-value之间的映射关系，常用于存储和处理复杂的数据。同时Map也是一种双列集合接口，它有多个实现类，包括`HashMap、TreeMap、LinkedHashMap`等，最常用的是`HashMap`类。其中，HashMap是按哈希算法来实现存取键对象的，这是我们开发时最常用的Map子类，而TreeMap类则可以对键对象进行排序。  
![在这里插入图片描述][2fcab73b390f4ea49da64fcbb1642e0d.png_pic_center]  
Map集合中的每个元素，都包含了一个键(key)和一个值(value)，key和value组成了键-值的映射表，我们称其为键值对。键用于唯一标识一个元素，值用于存储该元素的数据，一般情况下，这个key和value可以是任何引用类型的数据。其中，**键key是无序、无下标、不重复的，最多只能有一个key为null。值value是无序、无下标、可重复的，可以有多个value为null**。

并且这个key和value之间是单向的一对一关系，即通过指定的key，总能找到唯一的、确定的value。**当我们想从Map中取出数据时，只要给出指定的key，就能取出对应的value。**

**配套视频如下** [：戳我直达视频][Link 1]

### 2. 特点 ###

根据上面我们对Map概念的讲解，**把Map的主要特点给大家总结如下：**

*  **Map** **和** **List** **不同，Map是一种双列集合；**
 *  **Map** **存储的是** **key-value** **的映射关系；**
 *  **Map** **不保证顺序** **。在遍历时，遍历的顺序不一定是** **put()** **时放入的** **key** **的顺序，也不一定是** **key** **的排序顺序。**

### 3. 实现方式 ###

在Java中，Map集合的实现方式主要有两种：**基于哈希表和基于树结构**。接下来给大家简单介绍一下基于这两种结构的Map集合。

#### 3.1 基于哈希表的Map集合 ####

基于哈希表的Map，其底层是基于哈希表作为数据结构的集合，主要的实现类是`HashMap`。

在`HashMap`中，每个元素都包含一个键和一个值。当我们在添加元素时，HashMap会根据键的哈希值计算出对应的桶(Bucket)，并将元素存储到该桶中。如果不同的键具有相同的哈希值，就会出现哈希冲突，此时HashMap会使用链表或红黑树等数据结构来解决冲突。基于哈希表的Map集合具有快速的添加、删除和查找元素的特点，但元素的顺序是不确定的。

### 3. 实现方式 ###

在Java中，Map集合的实现方式主要有两种：**基于哈希表和基于树结构**。接下来**壹哥**给大家简单介绍一下基于这两种结构的Map集合。

#### 3.1 基于哈希表的Map集合 ####

基于哈希表的Map，其底层是基于哈希表作为数据结构的集合，主要的实现类是HashMap。在HashMap中，每个元素都包含一个键和一个值。当我们在添加元素时，HashMap会根据键的哈希值计算出对应的桶(Bucket)，并将元素存储到该桶中。如果不同的键具有相同的哈希值，就会出现哈希冲突，此时HashMap会使用链表或红黑树等数据结构来解决冲突。基于哈希表的Map集合具有快速的添加、删除和查找元素的特点，但元素的顺序是不确定的。

#### 3.2 基于树结构的Map集合 ####

基于树结构的Map集合，其底层是基于红黑树作为数据结构的集合，主要的实现类是TreeMap。在TreeMap中，每个元素也都包含一个键和一个值。我们在添加元素时，TreeMap会根据键的比较结果，将元素存储到正确的位置上，使得元素可以按照键的升序或降序排列。基于树结构的Map集合，具有快速查找和遍历元素的特点，但添加和删除元素的速度较慢。

### 4. 常用方法 ###

Map集合的使用和其他集合类似，主要包括**添加、删除、获取、遍历元素等操作。**

当我们调用put(K key, V value)方法时，会把key和value进行映射并放入Map。当调用V get(K key)时，可以通过key获取到对应的value；如果key不存在，则返回null。如果我们只是想查询某个key是否存在，可以调用containsKey(K key)方法。另外我们也可以通过 Map提供的keySet()方法，获取所有key组成的集合，进而遍历Map中所有的key-value对。

下表中就是Map里的一些常用方法，大家可以记一下，这些方法在Map的各实现子类中也都存在。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th><strong>方法</strong></th> 
   <th><strong>描述</strong></th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>clear()</td> 
   <td>删除Map中所有的键-值对</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>isEmpty()</td> 
   <td>判断Map是否为空</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>size()</td> 
   <td>计算Map中键/值对的数量</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>put()</td> 
   <td>将键/值对添加到Map中</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>putAll()</td> 
   <td>将所有的键/值对添加到Map中</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>putIfAbsent()</td> 
   <td>如果Map中不存在指定的键，则将指定的键/值对插入到Map中。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>remove()</td> 
   <td>删除Map中指定键key的映射关系</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>containsKey()</td> 
   <td>检查Map中是否存在指定key对应的映射关系。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>containsValue()</td> 
   <td>检查Map中是否存在指定的 value对应的映射关系。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>replace()</td> 
   <td>替换Map中指定key对应的value。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>replaceAll()</td> 
   <td>将Map中所有的映射关系替换成给定函数执行的结果。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>get()</td> 
   <td>获取指定 key 对应对 value</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>getOrDefault()</td> 
   <td>获取指定 key 对应对 value，如果找不到 key ，则返回设置的默认值</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>forEach()</td> 
   <td>对Map中的每个映射执行指定的操作。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>entrySet()</td> 
   <td>返回Map中所有的键值对</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>keySet()</td> 
   <td>返回Map中所有的key键</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>values()</td> 
   <td>返回Map中所有的value值</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>merge()</td> 
   <td>添加键值对到Map中</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>compute()</td> 
   <td>对Map中指定key的值进行重新计算</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>computeIfAbsent()</td> 
   <td>对Map中指定key的值进行重新计算，如果该key不存在，则添加到Map中</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>computeIfPresent()</td> 
   <td>当key存在该Map时，对Map中指定key的值进行重新计算</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

**与本节内容配套的视频链接如下：**[ 戳我直达视频课程][Link 1]

### 5. 常用实现类 ###

Java中有多个Map接口的实现类，接下来就给大家逐一简单介绍一下。

![image.png][]

#### 5.1 HashMap ####

**HashMap是Java中最常用的Map集合实现类，它基于哈希表实现，具有快速查找键值对的优点。** HashMap的存储方式是无序的，也就是说，遍历HashMap集合时，得到的键值对顺序是不确定的。下面是创建HashMap集合的代码示例：

Map<String, Integer> hashMap = new HashMap<>();

#### 5.2 TreeMap ####

TreeMap是Java中另一个常用的Map集合实现类，它**基于红黑树实现，具有自动排序键值对的优点**。TreeMap的存储方式是有序的，也就是说，遍历TreeMap集合时得到的键值对，是按照键的自然顺序或指定比较器的顺序排序的。下面是创建TreeMap集合的代码示例：

Map<String, Integer> treeMap = new TreeMap<>();

#### 5.3 LinkedHashMap ####

LinkedHashMap是Java中另一个Map集合实现类，它继承自HashMap，并保持了插入顺序。也就是说，遍历LinkedHashMap集合时，得到的键值对的顺序是按照插入顺序排序的。下面是创建LinkedHashMap集合的代码示例：

Map<String, Integer> linkedHashMap = new LinkedHashMap<>();

#### 5.4 Hashtable ####

Hashtable是Java中另一个Map集合实现类，**它与HashMap非常相似，但Hashtable是线程安全的**。Hashtable的存储方式是无序的，也就是说，遍历Hashtable集合时，得到的键值对的顺序是不确定的。下面是创建Hashtable集合的代码示例：

Map<String, Integer> hashtable = new Hashtable<>();

需要注意的是，**由于Hashtable是线程安全的，所以在多线程环境中使用Hashtable的性能可能会较低**，现在一般是建议使用ConcurrentHashMap。

#### 5.5 ConcurrentHashMap ####

ConcurrentHashMap是Java中的另一个Map集合实现类，**它与Hashtable非常相似，但是ConcurrentHashMap是线程安全的，并且性能更高**。ConcurrentHashMap的存储方式是无序的，也就是说，遍历ConcurrentHashMap集合时，得到的键值对的顺序是不确定的。下面是创建ConcurrentHashMap集合的代码示例：

Map<String, Integer> concurrentHashMap = new ConcurrentHashMap<>();

需要注意的是，**虽然ConcurrentHashMap是线程安全的，但仍然需要注意多线程环境下的并发问题**。

## 二. HashMap集合 ##

### 1. 简介 ###

HashMap继承自AbstractMap类，实现了Map、Cloneable、java.io.Serializable接口，如下图所示：

![image.png][image.png 1]

HashMap是基于散列表实现的双列集合，它存储的是key-value键值对映射，每个key-value键值对也被称为一条Entry条目。其中的 key与 value，可以是任意的数据类型，其类型可以相同也可以不同。但一般情况下，key都是String类型，有时候也可以使用Integer类型；value可以是任何类型。并且**在HashMap中，最多只能有一个记录的key为null，但可以有多个value的值为null。**

**HashMap中这些键值对(Entry)会分散存储在一个数组当中，这个数组就是HashMap的主体。** 默认情况下，HashMap这个数组中的每个元素的初始值都是null。**但HashMap中最多只允许一条记录的key为null，允许多条记录的value为null。**

**另外HashMap是非线程安全的，即任一时刻如果有多个线程同时对HashMap进行写操作，有可能会导致数据的不一致。** 如果需要满足线程的安全性要求，可以用 **Collections.synchronizedMap()** 方法使得HashMap具有线程安全的能力，或者使用**ConcurrentHashMap**来替代。

HashMap实现了Map接口，会根据key的hashCode值存储数据，具有较快的访问速度。另外HashMap是无序的，不会记录插入元素的顺序。**我们一般是根据key的hashCode值来存取数据，** 大多数情况下都可以直接根据key来定位到它所对应的值，因而HashMap有较快的访问速度，但遍历顺序却不确定。

### 2. 特点 ###

根据上面的描述，**把HashMap的核心特点总结如下：**

*  **基于哈希表实现，具有快速查找键值对的优点；**
 *  **HashMap的存储方式是无序的；**
 *  **HashMap的key-value可以是任意类型，但key一般都是String类型，value类型任意；**
 *  **HashMap最多只能有一个记录的key为null，但可以有多个value为null。**

### 3. 常用操作 ###

HashMap的使用方法和其他Map集合类似，主要包括添加元素、删除元素、获取元素、遍历元素等操作。接下来会详细地给大家介绍HashMap集合的常用操作。

#### 3.1 创建Map集合对象 ####

创建HashMap对象的方式有多种，我们可以使用构造函数，代码如下：

// 使用构造函数创建HashMap对象 
    Map<String, Integer> map1 = new HashMap<>();

#### 3.2 添加元素 ####

向HashMap集合添加元素的方式和List集合类似，也是使用put()方法，下面是向HashMap集合中添加元素的代码示例：

public class Demo14 {
        
    
    	public static void main(String[] args) {
        
    		//HashMap
    		Map<String, String> map = new HashMap<>();
    		map.put("name","一一哥");
            //map.put("name","壹哥");
    		map.put("age", "30");
    		map.put("sex", "男");
    		System.out.println("map="+map);
    	}
    }

看到上面的代码，有些小伙伴可能会问，如果我们往同一个Map中存储两个相同的key，但分别放入不同的value，这会有什么问题吗？

**其实我们在Map中，重复地放入** **key-value** **并不会有任何问题，但一个** **key** **只能关联一个** **value** **。** 因为当我们调用put(K key, V value)方法时，如果放入的key已经存在，put()方法会返回被删除的旧value，否则就会返回null。所以Map中不会有重复的key，因为放入相同的key时，就会把原有key对应的value给替换掉。

#### 3.3 删除元素 ####

从HashMap集合中删除元素的方式也和List集合类似，使用remove()方法。下面是从HashMap集合中删除元素的代码示例：

//从HashMap集合中移除元素
    map.remove("age");

#### 3.4 获取元素 ####

从HashMap集合中获取元素的方式和List集合不同，需要使用键来获取值。`HashMap`集合提供了两种方法来获取值，一种是使用`get()方法`，另一种是使用`getOrDefault()方法`。如果指定的键不存在，使用`get()方法`会返回`null`，而`getOrDefault()方法`则会返回指定的默认值。下面是从HashMap集合中获取元素的代码示例：

public class Demo15 {
        
    
    	public static void main(String[] args) {
        
    		//HashMap
    		Map<String, String> map = new HashMap<>();
    		map.put("name","一一哥");
    		map.put("age", "30");
    		map.put("sex", "男");
    		
    		//根据key获取指定的元素
    		String name = map.get("name");
    		String age = map.get("age");
    		//根据key获取指定的元素，并设置默认值
    		String sex = map.getOrDefault("sex","男");
    		String height = map.getOrDefault("height","0");
    		System.out.println("[name]="+name+",[age]="+age+",[sex]="+sex+",[height]="+height);
    	}
    }

#### 3.5 遍历元素 ####

遍历HashMap集合的方式和List集合不同，需要使用迭代器或者foreach循环遍历键值对，下面是遍历HashMap集合的代码示例：

/**
     * @author 一一哥Sun
     */
    public class Demo16 {
        
    
    	public static void main(String[] args) {
        
    		//HashMap
    		Map<String, String> map = new HashMap<>();
    		map.put("name","一一哥");
    		map.put("age", "30");
    		map.put("sex", "男");
    		
    		//遍历方式一：使用迭代器遍历HashMap 
    		//获取集合中的entry条目集合
    		Set<Entry<String, String>> entrySet = map.entrySet();
    		//获取集合中携带的Iterator迭代器对象
    		Iterator<Map.Entry<String, String>> iterator = entrySet.iterator(); 
    		//通过循环进行迭代遍历
    		while (iterator.hasNext()) {
             
    			//获取每一个Entry条目对象
    		    Map.Entry<String, String> entry = iterator.next();    
    		    //获取条目中的key
    		    String key = entry.getKey();    
    		    //获取条目中的value
    		    String value = entry.getValue();     
    		    System.out.println(key + " = " + value); 
    		} 
    
    		//遍历方式二：用foreach循环遍历HashMap 
    		for (Map.Entry<String, String> entry : map.entrySet()) {
            
    		    String key = entry.getKey();     
    		    String value = entry.getValue();     
    		    System.out.println(key + " = " + value); 
    		}
    	}
    }

大家要注意，当我们使用Map时，任何依赖顺序的逻辑都是不可靠的。比如，我们存入"A"，“B”，“C” 3个key，遍历时，每个key会保证被遍历一次且仅遍历一次，但遍历的顺序完全没有保证，甚至对于不同的JDK版本，相同的代码遍历输出的顺序都可能是不同的！所以我们在 遍历Map时，要注意输出的key是无序的！

#### 3.6 判断Map集合是否为空 ####

判断HashMap集合是否为空可以使用isEmpty()方法，如果Map集合为空，则返回true，否则返回false。下面是判断HashMap集合是否为空的代码示例：

// 判断HashMap是否为空 
    boolean isEmpty = map.isEmpty();

#### 3.7 获取Map集合的大小 ####

获取HashMap集合的大小可以使用size()方法，返回HashMap集合中键值对的数量，下面是获取HashMap集合大小的代码示例：

// 获取HashMap的大小 
    int size = map.size();

#### 3.8 判断Map集合是否包含指定的键或值 ####

如果我们想判断HashMap集合是否包含指定的键或值，可以使用containsKey()和containsValue()方法。如果Map集合包含指定的键或值，则返回true，否则返回false。下面是判断HashMap集合是否包含指定键或值的代码示例：

// 判断HashMap是否包含指定键
    boolean containsKey = map.containsKey("name"); 
    
    // 判断HashMap是否包含指定值 
    boolean containsValue = map.containsValue("一一哥");

#### 3.9 替换Map集合中的键值对 ####

如果我们想替换HashMap集合中的键值对，可以使用replace()方法将指定键的值替换成新的值。如果指定的键不存在，则不进行任何操作。下面是替换HashMap集合中的键值对的代码示例：

// 替换HashMap中的键值对 
    map.replace("name", "壹哥");

#### 3.10 合并两个Map集合 ####

如果我们想合并两个HashMap集合，可以使用putAll()方法，将另一个HashMap集合中所有的键值对，添加到当前的HashMap集合中。下面是合并两个HashMap集合的代码示例：

public class Demo16 {
        
    
    	public static void main(String[] args) {
        
    		//HashMap
    		Map<String, String> map1 = new HashMap<>();
    		map1.put("name","一一哥");
    		map1.put("age", "30");
    		map1.put("sex", "男");
    		
    		// 创建另一个TreeMap集合 
    		Map<String, String> map2 = new HashMap<>(); 
    		map2.put("height", "180"); 
    		map2.put("salary", "5w"); 
    
    		//将map1中的键值对添加到map2中 
    		map2.putAll(map1); 
    		System.out.println("map2="+map2);
    	}
    }

#### 3.11 获取Map集合中所有的键或值 ####

如果我们想获取HashMap集合中所有的键或值，可以分别使用keySet()和values()方法。这两个方法会返回一个Set集合和一个Collection集合，它们包含了HashMap集合中所有的键或值。下面是获取HashMap集合中所有键或值的代码示例：

public class Demo18 {
        
    
    	public static void main(String[] args) {
        
    		//HashMap
    		Map<String, String> map = new HashMap<>();
    		map.put("name","一一哥");
    		map.put("age", "30");
    		map.put("sex", "男");
    		
    		// 获取HashMap中所有的键 
    		Set<String> keySet = map.keySet(); 
    		for(String key : keySet) {
        
    			System.out.println("key="+key); 
    		}
    
    		// 获取HashMap中所有的值 
    		Collection<String> values = map.values(); 
    		for(String value:values) {
        
    			System.out.println("value"+value); 
    		}
    	}
    }

### 4. 原理概述(重点) ###

作为开发时最常用的Map集合，HashMap在我们面试时被问到的概率非常高，尤其是关于**其原理、数据结构、冲突解决、并发、扩容**等相关的内容，更是经常被问到。

如果我们想要了解HashMap的底层原理，首先得知道HashMap的底层数据结构，而这个数据结构在不同的JDK版本中是不同的。我们可以把HashMap的底层数据结构分为两大版本，即**JDK 7及其以前的版本 和 JDK 8及其以后的版本。** 大家注意，本文主要是结合JDK 8的源码，给大家讲解HashMap的底层原理。

*  **在JDK 7及其以前版本的HashMap中，其底层的数据结构是** **数组+链表** **；**
 *  **而从JDK 8开始则采用** **数组+链表+红黑树** **的数据结构，其中的** **数组是Entry类型或者说是Node类型数组** **。**

### 5. hash冲突解决机制 ###

因为HashMap底层会使用Hash算法来处理数据的存取，当数据非常多时就有一定的概率出现hash冲突，其解决过程如下。

*  当我们往HashMap中存储数据时，首先会利用**hash(key)方法** **计算出key的hash值**，再利用该 **hash值** 与 **HashMap数组的长度-1** 进行 **与运算**，从而得到该key在数组中对应的**下标位置**；
 *  如果该位置上目前还没有存储数据，则直接将该key-value键值对数据存入到数组中的这个位置；
 *  如果该位置目前已经有了数据，则把新的数据存入到一个链表中；
 *  当链表的长度超过阈值(JDK 8中该值为8)时，会将链表转换为红黑树(转换为红黑树还需要满足其他的条件，链表长度达到阈值只是其中的一个条件)。

![image.png][image.png 2]

通过这样的机制，HashMap就解决了存值时可能产生的哈希冲突问题，并可以大大提高我们的查找效率。

当然由于HashMap极其重要，它的内容非常多，尤其是原理性的内容更多。但由于篇幅限制，不会在本文中过多地讲解HashMap原理等的内容

## 三. Hashtable集合 ##

### 1. 简介 ###

Hashtable也是Java中的一个Map集合，它与HashMap非常相似，但Hashtable是线程安全的，而HashMap不是线程安全的。Hashtable也可以存储键值对，并可以通过键快速查找到对应的值，Hashtable的键和值也都可以是任何类型的对象。

因为Hashtable是线程安全的，因此适用于多线程环境。在多线程环境中，如果需要对Hashtable进行多个操作，需要使用synchronized关键字来保证线程安全。但需要我们注意的是，在多线程环境中使用Hashtable可能会影响性能，所以如果不需要保证线程安全，请尽量使用HashMap。

Hashtable集合的底层结构主要是**数组+链表，数组是Entry数组，链表也是用Entry来实现的** **。** 所以Hashtable的底层核心，其实也是基于哈希表，它使用哈希函数将键映射到哈希表中的一个位置，从而实现快速查找。另外Hashtable的存储方式是无序的，也就是说，遍历Hashtable集合得到的键值对的顺序是不确定的。

### 2. 常用方法 ###

**Hashtable与HashMap类似，它的常用方法也与HashMap一样：**

*  put(K key, V value)：将指定的键值对存储到Hashtable中。
 *  get(Object key)：返回指定键所对应的值，如果不存在该键则返回null。
 *  remove(Object key)：从Hashtable中移除指定键所对应的键值对。
 *  containsKey(Object key)：判断Hashtable中是否包含指定的键。
 *  containsValue(Object value)：判断Hashtable中是否包含指定的值。
 *  size()：返回Hashtable中键值对的数量。
 *  clear()：移除Hashtable中的所有键值对。

### 3. 基本使用 ###

下面是一个简单的Hashtable集合示例，演示了如何创建Hashtable集合、存储键值对、获取值、遍历集合等操作。

import java.util.Hashtable;
    import java.util.Map;
    
    public class Demo19 {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            // 创建Hashtable集合
            Map<String, Integer> hashtable = new Hashtable<>();
    
            // 存储键值对
            hashtable.put("apple", 10);
            hashtable.put("banana", 20);
            hashtable.put("orange", 30);
    
            // 获取值
            int value1 = hashtable.get("apple");
            int value2 = hashtable.get("banana");
            int value3 = hashtable.get("orange");
            System.out.println("apple: " + value1);
            System.out.println("banana: " + value2);
            System.out.println("orange: " + value3);
    
            // 移除键值对
            hashtable.remove("orange");
    
            // 遍历集合
            for (Map.Entry<String, Integer> entry : hashtable.entrySet()) {
        
                String key = entry.getKey();
                int value = entry.getValue();
                System.out.println(key + ": " + value);
            }
    
            // 清空集合
    		hashtable.clear(); 
        }
    }

其他方法的使用与HashMap基本一致，**就不再一一细说了。**

## 四. ConcurrentHashMap集合 ##

### 1. 简介 ###

由于在多线程环境下，常规的HashMap可能会在数组扩容及重哈希时出现 **死循环、脏读** 等线程安全问题，虽然有HashTable、Collections.synchronizedMap()可以取代HashMap进行并发操作，但因它们都是利用一个 **全局的synchronized锁** 来同步不同线程之间的并发访问，因此性能较差。

所以Java就从**JDK 1.5**版本开始，在**J.U.C(java.util.concurrent并发包)** **中**引入了一个高性能的并发操作集合—ConcurrentHashMap(可以简称为CHM)。**该集合是一种线程安全的哈希表实现，相比Hashtable和SynchronizedMap，在多线程场景下具有更好的性能和可伸缩性**。

并且ConcurrentHashMap集合在读数据时不需要加锁，写数据时会加锁，但锁的粒度较小，不会对整个集合加锁。而其内部又**大量的利用了 volatile，final，CAS等lock-free(无锁并发)技术，减少了锁竞争对于性能的影响，具有更好的写并发能力，但降低了对读一致性的要求。** 因此既保证了并发操作的安全性，又确保了读、写操作的高性能，可以说它的并发设计与实现都非常的精巧。

另外**ConurrentHashMap中的key与value都不能为null，否则会产生空指针异常！**

### 2. ConcurrentHashMap类关系 ###

ConcurrentHashMap与HashMap具有相同的父类AbstractMap，他俩可以说是“亲兄弟”，所以ConcurrentHashMap在一般的特性和使用上与HashMap基本是一致的，甚至很多底层原理也是相似的。

但两者所在的包是不同的，ConcurrentHashMap是在java.util.concurrent包中，HashMap是在java.util包中，我们可以**参考下图：**

![image.png][image.png 3]

以上所述的ConcurrentHashMap概念及特征，是不区分版本的，但实际上不同版本的ConcurrentHashMap内部实现差异很大，所以面试时经常会被问到不同版本之间的差异、各自特征。接下来会针对JDK 7 与 JDK 8 这两个经典版本分别进行阐述。

### 3. 实现原理 ###

#### 3.1 并发控制机制 ####

**在JDK 7中，ConcurrentHashMap的核心机制是分段锁(Segment)，每个Segment内部维护了一个哈希表，且这个哈希表是线程安全的**。而ConcurrentHashMap中的每个操作，都是先对所在的Segment进行加锁，然后再执行具体的操作。

当多个线程对不同的Segment进行操作时，它们之间是并发的。当多个线程对同一个Segment进行操作时，它们会竞争锁，但不会影响到其他Segment的操作。这种机制有效地降低了锁的粒度，提高了并发访问效率。

ConcurrentHashMap的另一个优点是支持可伸缩性。当需要增加ConcurrentHashMap的容量时，我们只需要增加Segment的数量即可，这种机制使得ConcurrentHashMap在高并发场景下具有良好的可伸缩性。

#### 3.2 JDK 7版本的ConcurrentHashMap ####

在JDK 7版本中，ConcurrentHashMap和HashMap的设计思路其实是差不多的，但为了支持并发操作，做了一定的改进。比如ConcurrentHashMap中的数据是一段一段存放的，我们把这些分段称之为**Segment分段**，在每个Segment分段中又有 **数组+链表** 的数据结构。

默认情况下ConcurrentHashMap把主干分成了 **16个Segment分段**，并对每一段都单独加锁，我们把这种设计策略称之为 **“分段锁”**，**ConcurrentHashMap就是利用这种分段锁机制进行并发控制的。JDK 7中ConcurrentHashMap的基本数据结构如下图所示：**

![image.png][image.png 4]

在理想状态下，ConcurrentHashMap可以 **同时支持16个线程** 执行并发写操作，以及任意数量的线程进行并发读操作。**在写操作时，通过分段锁技术，只对所操作的段加锁而不会影响其它分段，且在读操作时(几乎)不需要加锁。**

#### 3.3 JDK 8版本的ConcurrentHashMap ####

在JDK 8中，`ConcurrentHashMap`相对于JDK 7版本做了很大的改动，从实现的代码量上就可以看出来，JDK 7中ConcurrentHashMap不到2000行代码，而JDK 8中则有6000多行代码。

JDK 8中放弃了臃肿的Segment设计，取而代之采用了 **Node数组 + 链表 + 红黑树 + CAS + Synchronized** 技术来保证并发安全，实现并发控制操作。但是在ConcurrentHashMap的实现中保留了 Segment 的定义，这是为了 **保证序列化时的兼容性**，但并没有任何结构上的用处。**在JDK 8中用synchronized替换ReentrantLock的原因大致如下:**

*  **减少内存开销:** 如果使用ReentrantLock，就需要节点继承AQS来获得同步支持，这增加了内存开销，而JDK 8中只有头节点需要进行同步。
 *  **内部优化:** synchronized是JVM直接支持的，JVM能够在运行时作出相应的优化措施，比如 **锁粗化、锁消除、锁自旋**等。

### 4. 基本使用 ###

ConcurrentHashMap支持与HashMap相同的常用操作，如put、get、remove等。下面介绍一些常用操作。

#### 4.1 插入元素 ####

ConcurrentHashMap的put方法用于向集合中插入一个键值对，如果键已经存在，则会更新对应的值。下面是向ConcurrentHashMap中插入元素的示例：

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
    
    public class Demo19 {
        
    public static void main(String\[] args) {
        
    // 创建ConcurrentHashMap集合
    ConcurrentHashMap\<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();
    
            // 插入元素
            map.put("apple", 10);
            map.put("banana", 20);
            map.put("orange", 30);
    
            // 输出元素
            System.out.println(map);
        }
    
    }

根据上面代码的执行结果可知，ConcurrentHashMap中的键值对是无序的。

#### 4.2 获取元素 ####

`ConcurrentHashMap`的get方法用于获取指定键对应的值，如果键不存在，则返回null。下面是一个从ConcurrentHashMap中获取元素的示例：

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
    
    public class Demo20 {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            // 创建ConcurrentHashMap集合
            ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();
    
            // 插入元素
            map.put("apple", 10);
            map.put("banana", 20);
            map.put("orange", 30);
    
            // 获取元素
            Integer value = map.get("apple");
            System.out.println(value);
        }
    }

#### 4.3 删除元素 ####

ConcurrentHashMap的remove方法用于从集合中删除指定键的元素，下面是一个从ConcurrentHashMap中删除元素的示例：

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
    
    public class Demo21 {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            // 创建ConcurrentHashMap集合
            ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();
    
            // 插入元素
            map.put("apple", 10);
            map.put("banana", 20);
            map.put("orange", 30);
    
            // 删除元素
            map.remove("apple");
    
            // 输出元素
            System.out.println(map);
        }
    }

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## 五. 结语 ##

至此，我们就把Map及其子类学习完了，现在你知道Map有什么特性及其用法了吗？接下来我们简单总结一下今天的重点吧：

*  **Map是一种映射表，可以通过key快速查找value；**
 *  **可以通过** **for each** **遍历** **keySet()** **，也可以通过** **for each** **遍历** **entrySet()** **，直接获取** **key-value** **；**
 *  **最常用的Map是HashMap；**
 *  **Hashtable是线程安全的集合，底层结构主要是数组+链表；**
 *  **ConcurrentHashMap可以良好地进行并发处理，是一种线程安全且高效的集合。**

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