自顶向下理解Java集合框架（三）Map接口

Map基本概念

数据结构中Map是一种重要的形式。Map接口定义的是查询表，或称查找表，其用于储存所谓的键/值对（key-value pair），其中key是映射表的索引。

JDK结构中还存在实现Map类似功能的遗留集合：

Hashtable（线程安全的散列映射表）

Properties（属性映射表），常用于配置文件（如db.properties）。

Map接口源代码

package java.util;

/* 映射表(查询表）泛型接口 */
public interface Map<K,V> {
    /* 基本与Collection相同，返回映射表中key-value映射对数量(内部属性size) */
    int size();
    /* 基本与Collection相同，返回映射表是否包含映射对 */
    boolean isEmpty();
    /* 返回映射表是否包含指定的键 */
    boolean containsKey(Object key);
    /* 返回映射表是否包含指定的值，或者说指定的值是否有大于等于1个映射的键 */
    boolean containsValue(Object value);
    /* 如果映射表中存在指定key，返回此key的值；否则，返回null */
    V get(Object key);
    /* 将键值对放入映射表中。
     * 如果键存在，则用现在的值替换原有值，返回原有值对象；
     * 如果键不存在则存入键值对，返回null */
     */
    V put(K key, V value);
    /* 移除指定键对应的值。如果存在键，则移除，并返回移除值对象；反之，则返回null */
    V remove(Object key);
    /* 复制另一张映射表元素到本映射表中 */
    void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m);
    /* 基本同Collection，清空映射表 */
    void clear();
    /* 获得键的Set集合 */
    Set<K> keySet();
    /* 获得值的Collection集合 */
    Collection<V> values();
    /* 获得键值对的Set集合 */
    Set<Map.Entry<K, V>> entrySet();
    /* 内部接口 Entry<K,V> */
    interface Entry<K,V> {
        /* 获取键值对的键 */
        K getKey();
        /* 获取键值对的值 */
        V getValue();
        /* 设置键值对的值 */
        V setValue(V value);
        /* 比较entry(键值对) */
        boolean equals(Object o);
        /* 生成entry对象的hash值 */
        int hashCode();
    }
    /* 比较映射表 */
    boolean equals(Object o);
    /* 生成映射表对象的hash码*/
    int hashCode();
}

深入理解码源

对象比较好基友：equals(Object obj)、hashcode()

Map<K, V>接口及其内部接口Entry<K, V>都有这俩方法。如此设计，目的就是规范其实现子类，要求子类必须重写Object类的这俩方法，从而完成映射表这种数据结构的既定思想。

boolean equals(Object o);   // 对象比较
int hashCode();             // 哈希码

集合框架通用方法：size()、isEmpty()

集合框架(包括Collection接口及其子接口List、Set，Map接口)内部维护一个size属性，其描述用户提供可操纵元素数量，通过size()方法向用户提供可见性，通过isEmpty()方法向用户说明是否集合中仍存在其可操纵的元素。

int size();                // 元素保有量
boolean isEmpty();         // 元素数量是否为0

键、值存在性判断：containsKey(Object key)、containsValue(Object value)

boolean containsKey(Object key);       // 映射表是否包含指定键的元素
boolean containsValue(Object value);   // 映射表是否包含指定值得元素

映射表增删查改：

增、改 V put(K key, V value) V putAll(Map<? extends K, ? value V> m)

删 V remove(Object key) void clear()

查 V get(Object key)

V put(K key, V value)    // 放入或替换指定key的键值对      
V putAll(Map<? extends K, ? value V> m)    // 将另一映射表所有元素放入本映射表
V remove(Object key)     // 移除指定key的键值对 
V get(Object key)        // 获取指定key的键值对
void clear()             // 清除所有映射表元素

package com.forget406.study;

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.TreeMap;

public class MapStudy {
    @SuppressWarnings({ "unchecked", "rawtypes" })
    public static void main(String[] args) {
        /* JDK 1.7允许后面的尖括号内不写泛型变量 */
        Map<String, Coordinate> rect = 
            new HashMap<>();
        rect.put("point A", new Coordinate(0, 0));
        rect.put("point B", new Coordinate(1, 0));
        rect.put("point C", new Coordinate(1, 1));
        rect.put("point D", new Coordinate(0, 1));
        
        Map<String, Coordinate> line =
            new TreeMap<String, Coordinate>();
        line.put("point A", new Coordinate(0, 0));
        line.put("point B", new Coordinate(3, 3));
        
        /***** 实验测试部分  *****/
        System.out.println(rect);  // output rectangle
        System.out.println(line);  // output line
        System.out.println(rect.put("point D", new Coordinate(2, 2)));  // (0, 1)
        System.out.println(rect.get("point C"));  // (1,1) 
        System.out.println(rect.get("point E"));  // null
        rect.putAll(line);
        System.out.println(rect); 
        System.out.println(line.remove("point C"));  // null
        System.out.println(line.remove("point A"));  // (0, 0)    
    }

}

/**
 * 坐标类
 * 
 * @author forget406
 * @since  09/08/2016
 * @param <T> 泛型参数
 */
class Coordinate<T> {
    private T x;
    private T y;
    
    public Coordinate(T x, T y) {
        this.x = x;
        this.y = y;
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        final int prime = 31;
        int result = 1;
        result = prime * result + ((x == null) ? 0 : x.hashCode());
        result = prime * result + ((y == null) ? 0 : y.hashCode());
        return result;
    }

    @SuppressWarnings("unchecked")
    @Override
    public boolean equals(Object obj) {
        if (this == obj)
            return true;
        if (obj == null)
            return false;
        if (getClass() != obj.getClass())
            return false;
        Coordinate<T> other = (Coordinate<T>) obj;
        if (x == null) {
            if (other.x != null)
                return false;
        } else if (!x.equals(other.x))
            return false;
        if (y == null) {
            if (other.y != null)
                return false;
        } else if (!y.equals(other.y))
            return false;
        return true;
    }
    
    @Override
    public String toString() {
        return "(" + x + "," + y + ")";
    }
}

{point C=(1,1), point B=(1,0), point A=(0,0), point D=(0,1)}
{point A=(0,0), point B=(3,3)}
(0,1)
(1,1)
null
{point C=(1,1), point B=(3,3), point A=(0,0), point D=(2,2)}
null
(0,0)

程序运行结果

映射表元素遍历三种方式（或称映射表集合视图（*））：

按key遍历 Set<K> keySet() 返回映射表中所有键的视图。可以从这个Set中删除元素，同时也从映射表中删除了它们。

按value遍历 Collection<V> values() 返回映射表中所有值的视图。可以从这个Collection中删除元素，同时也从映射表中删除了它们。

按Entry（key-value对）遍历 Set<Map.Entry<K, V>> entrySet() 返回Map.Entry对象Set集的视图，即映射表中的键/值对。可以从这个集合中删除元素，同时也从映射表中删除了它们。

注意：虽然可以从这三种遍历方式遍历获得的视图集合中删除元素，但是均不能够在其中添加元素。

Set<K> keySet();                   // 元素键视图集
Collection<V> values();            // 元素值视图集
Set<Map.Entry<K, V>> entrySet();   // 元素键/值对视图集

Map接口的内部接口，即Entry<K, V>接口，起封装键值对的作用。通过键值对遍历Map时，可以通过Entry接口提供的方法获取相应的键、值，以及设置键值对的值。

K getKey() 获得键值对的键

V getValue() 获得键值对的值

V setValue(V value) 设置键值对的值，同时映射表的内容也同时更新（*）

~~K setKey(K key)~~ 但没有提供设置键值对键的方法，why? 键值对的键是键值对的索引，改变键不具有实际意义，而且改变之后会引起一系列诸如hash值改变等问题。

/* Entry<K, V>接口，属于内部接口 */
interface Entry<K,V> {
    K getKey();            // 获得键值对的键
    V getValue();          // 获得键值对的值
    V setValue(V value);   // 设置键值对的值
    /*  前面已经论述过  */
    boolean equals(Object o);
    int hashCode();
}

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.Map.Entry;
import java.util.Set;

public class MapStudy {
    @SuppressWarnings({ "unchecked", "rawtypes" })
    public static void main(String[] args) {
        Map<String, Coordinate> rect = 
            new HashMap<String, Coordinate>();
        rect.put("point A", new Coordinate(0, 0));
        rect.put("point B", new Coordinate(1, 0));
        rect.put("point C", new Coordinate(1, 1));
        rect.put("point D", new Coordinate(0, 1));
        
        /***** 实验测试代码   *****/
        Set<Entry<String, Coordinate>> pos = rect.entrySet();
        /* 最好判断一下是否为null */
        if (pos != null) {
            for(Entry<String, Coordinate> p : pos) {
                System.out.println(p.getKey()+ "=" +p.getValue());  // 获得键、值
                p.setValue(new Coordinate("?", "?"));  // 设置对应Entry的值
            }
            System.out.println(rect);   // 更新Entry后，原来映射表内容也随之更新
        }
    }
}

/**
 * 坐标类
 * 
 * @author forget406
 * @since  09/08/2016
 * @param <T> 泛型参数
 */
class Coordinate<T> {
    private T x;
    private T y;
    
    public Coordinate(T x, T y) {
        this.x = x;
        this.y = y;
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        final int prime = 31;
        int result = 1;
        result = prime * result + ((x == null) ? 0 : x.hashCode());
        result = prime * result + ((y == null) ? 0 : y.hashCode());
        return result;
    }

    @SuppressWarnings("unchecked")
    @Override
    public boolean equals(Object obj) {
        if (this == obj)
            return true;
        if (obj == null)
            return false;
        if (getClass() != obj.getClass())
            return false;
        Coordinate<T> other = (Coordinate<T>) obj;
        if (x == null) {
            if (other.x != null)
                return false;
        } else if (!x.equals(other.x))
            return false;
        if (y == null) {
            if (other.y != null)
                return false;
        } else if (!y.equals(other.y))
            return false;
        return true;
    }
    
    @Override
    public String toString() {
        return "(" + x + "," + y + ")";
    }
}

point C=(1,1)
point B=(1,0)
point A=(0,0)
point D=(0,1)
{point C=(?,?), point B=(?,?), point A=(?,?), point D=(?,?)}

程序测试结果

如果读者需要进一步了解Java的内部接口机制，可以阅读另一篇文章：《Java高级特性（二）内部接口》。

Map遍历方式

Map遍历作为文章体系中极为重要的一块内容，从上面模块中抽出来单独总结。

Iterator<E>接口实现

这种实现方式相对来说比较鸡肋，反正遍历Map我很少用到的。

import java.util.Collection;
import java.util.HashMap;
import java.util.Iterator;
import java.util.Map;
import java.util.Map.Entry;
import java.util.Set;

public class MapStudy {
    @SuppressWarnings({ "unchecked", "rawtypes" })
    public static void main(String[] args) {
        Map<String, Coordinate> rect = 
            new HashMap<String, Coordinate>();
        rect.put("point A", new Coordinate(0, 0));
        rect.put("point B", new Coordinate(1, 0));
        rect.put("point C", new Coordinate(1, 1));
        rect.put("point D", new Coordinate(0, 1));
        
        /***** Iterator<E>方式遍历代码   *****/
        // 遍历key,获取key
        Set<String> keys = rect.keySet();
        Iterator<String> it1 = keys.iterator();
        while(it1.hasNext()) {  // 问
            String key = it1.next();  // 取
            System.out.println(key);
            // it1.remove();  删
        }
        
        // 遍历value,获取value
        Collection<Coordinate> values = rect.values();
        Iterator<Coordinate> it2 =  values.iterator();
        while(it2.hasNext()) {
            Coordinate value = it2.next();
            System.out.println(value);
        }
                
        // 遍历key-value对,获取key、value,设置value
        Set<Entry<String, Coordinate>> entries = rect.entrySet();
        Iterator<Entry<String, Coordinate>> it3 = entries.iterator();
        while(it3.hasNext()) {
            Entry<String, Coordinate> entry = it3.next();
            String key = entry.getKey();
            System.out.println(key);
            Coordinate value = entry.getValue();
            System.out.println(value);
            entry.setValue(new Coordinate("?", "?"));
        }
        System.out.println(rect);
    }
}

/**
 * 坐标类
 * 
 * @author forget406
 * @since  09/08/2016
 * @param <T> 泛型参数
 */
class Coordinate<T> {
    private T x;
    private T y;
    
    public Coordinate(T x, T y) {
        this.x = x;
        this.y = y;
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        final int prime = 31;
        int result = 1;
        result = prime * result + ((x == null) ? 0 : x.hashCode());
        result = prime * result + ((y == null) ? 0 : y.hashCode());
        return result;
    }

    @SuppressWarnings("unchecked")
    @Override
    public boolean equals(Object obj) {
        if (this == obj)
            return true;
        if (obj == null)
            return false;
        if (getClass() != obj.getClass())
            return false;
        Coordinate<T> other = (Coordinate<T>) obj;
        if (x == null) {
            if (other.x != null)
                return false;
        } else if (!x.equals(other.x))
            return false;
        if (y == null) {
            if (other.y != null)
                return false;
        } else if (!y.equals(other.y))
            return false;
        return true;
    }
    
    @Override
    public String toString() {
        return "(" + x + "," + y + ")";
    }
}

point C
point B
point A
point D
(1,1)
(1,0)
(0,0)
(0,1)
point C
(1,1)
point B
(1,0)
point A
(0,0)
point D
(0,1)
{point C=(?,?), point B=(?,?), point A=(?,?), point D=(?,?)}

程序运行结果

for-each实现

在JDK1.5版本引入for-each（由JVM维护，内部实现也是通过迭代器实现）后，上面那种有点原始社会的感觉。所以一般我都是使用for-each遍历Map。

import java.util.Collection;
import java.util.HashMap;
import java.util.Iterator;
import java.util.Map;
import java.util.Map.Entry;
import java.util.Set;

public class MapStudy {
    @SuppressWarnings({ "unchecked", "rawtypes" })
    public static void main(String[] args) {
        Map<String, Coordinate> rect = 
            new HashMap<String, Coordinate>();
        rect.put("point A", new Coordinate(0, 0));
        rect.put("point B", new Coordinate(1, 0));
        rect.put("point C", new Coordinate(1, 1));
        rect.put("point D", new Coordinate(0, 1));
        
        /***** for-each方式遍历代码   *****/
        // 遍历key,获取key
        Set<String> keys = rect.keySet();
        for(String key : keys) {
            System.out.println(key);
        }
        
        // 遍历value,获取value
        Collection<Coordinate> values = rect.values();
        for(Coordinate value : values) {
            System.out.println(value);
        }
                
        // 遍历key-value对,获取key、value,设置value
        Set<Entry<String, Coordinate>> entries = rect.entrySet();
        for(Entry<String, Coordinate> entry : entries) {
            String key = entry.getKey();
            System.out.println(key);
            Coordinate value = entry.getValue();
            System.out.println(value);
            entry.setValue(new Coordinate("?", "?"));
        }
        System.out.println(rect);
    }
}

/**
 * 坐标类
 * 
 * @author forget406
 * @since  09/08/2016
 * @param <T> 泛型参数
 */
class Coordinate<T> {
    private T x;
    private T y;
    
    public Coordinate(T x, T y) {
        this.x = x;
        this.y = y;
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        final int prime = 31;
        int result = 1;
        result = prime * result + ((x == null) ? 0 : x.hashCode());
        result = prime * result + ((y == null) ? 0 : y.hashCode());
        return result;
    }

    @SuppressWarnings("unchecked")
    @Override
    public boolean equals(Object obj) {
        if (this == obj)
            return true;
        if (obj == null)
            return false;
        if (getClass() != obj.getClass())
            return false;
        Coordinate<T> other = (Coordinate<T>) obj;
        if (x == null) {
            if (other.x != null)
                return false;
        } else if (!x.equals(other.x))
            return false;
        if (y == null) {
            if (other.y != null)
                return false;
        } else if (!y.equals(other.y))
            return false;
        return true;
    }
    
    @Override
    public String toString() {
        return "(" + x + "," + y + ")";
    }
}

Map体系结构

Map接口的实现类大致分为两大类：

通用映射表类

HashMap（散列映射表）、TreeMap（二叉树映射表）

专用映射表类

IdentityHashMap（标识散列映射表）、WeakHashMap（弱散列映射表）、LinkedHashMap（链接散列映射表）、EnumMap（枚举映射表）等。

当然，上面只是比较粗略地分类，后续文章将进一步深入分析Map相关接口、抽象类、实现类的内部机制，以及其于Set集的对应关系。

Map相关问题思考

思考1：标识符命名单复数

这个问题不光光是Map有，整个Java语言在设计时都是采用这种思路。这种写法归根结底还是由于英语国家语言语法习惯，值得我们在平时命名的时候注意。

boolean containsKey(Object key);

如果换成我习惯的命名法则，让我来设计底层代码，可能就写成

boolean containKey(Object key);

boolean isContainKey(Object key);

真的是一个大写的囧 o(╯□╰)o 和大牛的差距就体现出来了。

对于设计方法标识符时大致应该遵循：

1、如果方法用于判断，即返回值是boolean

boolean isAb（Ab是名词）  // 判断对象是Ab吗？
boolean AbsCd（Abs是动词单数，Cd是名词）  // 判断对象Abs了Cd？比如上面的ContainsKey

2、一般的方法，规则是动词开头（具体判断是否加单数），后可以加名词或者连词（Of、As等）

思考2：Map视图

视图（views）其实是集合框架（collection frame）所共有的语言特性。

关于视图的内容，会单独整理总结成文，这里就是作为一块需要重点理解的内容提出来。

Map涉及到视图的内容：

Set<K> keySet();                   // 元素键视图集
Collection<V> values();            // 元素值视图集
Set<Map.Entry<K, V>> entrySet();   // 元素键/值对视图集

/** Entry<K, V>接口，属于内部接口 */
interface Entry<K,V> {
    K getKey();            // 获得键值对的键
    V getValue();          // 获得键值对的值
    V setValue(V value);   // 设置键值对的值
}

思考3：Map遍历需要用Collection（集合）和Set（集）的原因分析

回头看前面Map接口源代码，你会发现它并没有写成

public interface Map<K, V> extends Iterable<E>

而是简单地写成

public interface Map<K, V>

也就是说，Map接口实际上是一个顶层接口。

相比较Collection<T>接口继承更顶层的Iterable<T>（拥有iterator()方法，以及for-each使用必须继承的接口），Map接口显得较为特殊。

为什么Map遍历必须借助Collection或Set呢？

假设现在Map接口源代码写成

public interface Map<K, V> extends Iterable<E>

那么问题来了，该怎么遍历Map呢？现在有key、value两个泛型参数，当然我们可以将这两个泛型参数看成一对Entry，不过如果我需要单独遍历key或者value呢？无法单独通过Map实现。这就会显得功能太单调。

与其这样，不如一不做二不休，将Map<K, V>接口的遍历查询结果做成三种Set集或Collection集合视图。

Map<K, V>的K不能够重复，选择合适的数据结构Set储存。

Map<K, V>的V可以重复，选择合适的数据结构Collection储存。当然我个人认为List储存也是可以的，只不过设计者选择更加稳妥、保守的方式而已。

思考4：增删查改方法都有泛型返回值V(映射表值)

这一点其实也没琢磨太清楚，可能是设计者认为这么定义方法更加人性化。比如：

V remove(Object o) 删除映射表中指定键元素，如果删除则返回删除元素的值对象，反正则返回null。这样我们还能够看看到底删除值对不对。

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