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Java Map接口

什么是Map接口?

Map接口是Java集合框架中的一个核心接口,与Collection接口不同,它用于存储键-值对(key-value pairs)形式的元素。Map接口的特点是每个键(key)只能对应一个值(value),且键不能重复,但值可以重复。

Map接口位于java.util包中,它提供了一种高效的方式来存储、检索和操作键值对数据。

Map接口基本特性

  • 键值对映射:每个元素都是一个键值对
  • 唯一键:每个键在Map中只能出现一次
  • 值可重复:不同的键可以映射到相同的值
  • 无序集合:大多数Map实现不保证元素的顺序(LinkedHashMap例外)
  • 不允许null键:某些实现(如Hashtable)不允许null键或null值

Map接口的主要实现类

HashMap

HashMap是Map接口最常用的实现类,它基于哈希表实现,具有较高的查询和插入效率。

特点:

  • 不保证元素的顺序
  • 允许null键和null值
  • 非线程安全
  • O(1)时间复杂度的基本操作(理想情况下)
java
// 创建HashMap
Map<String, Integer> studentScores = new HashMap<>();

// 添加键值对
studentScores.put("Alice", 95);
studentScores.put("Bob", 87);
studentScores.put("Charlie", 92);

// 获取值
System.out.println("Bob's score: " + studentScores.get("Bob")); // 输出: Bob's score: 87

// 检查键是否存在
System.out.println("Is David in the map? " + studentScores.containsKey("David")); // 输出: Is David in the map? false

// 遍历Map
for (Map.Entry<String, Integer> entry : studentScores.entrySet()) {
System.out.println(entry.getKey() + ": " + entry.getValue());
}
// 输出:
// Alice: 95
// Bob: 87
// Charlie: 92

TreeMap

TreeMap基于红黑树实现,它可以根据键的自然顺序或自定义比较器进行排序。

特点:

  • 保证元素按键的顺序排序
  • 不允许null键(可以有null值)
  • 非线程安全
  • 基本操作的时间复杂度为O(log n)
java
// 创建TreeMap
TreeMap<String, Integer> sortedScores = new TreeMap<>();

// 添加键值对
sortedScores.put("Charlie", 92);
sortedScores.put("Alice", 95);
sortedScores.put("Bob", 87);

// 遍历TreeMap (将按照键的字母顺序排序)
for (Map.Entry<String, Integer> entry : sortedScores.entrySet()) {
System.out.println(entry.getKey() + ": " + entry.getValue());
}
// 输出:
// Alice: 95
// Bob: 87
// Charlie: 92

// TreeMap特有方法
System.out.println("First key: " + sortedScores.firstKey()); // 输出: First key: Alice
System.out.println("Last key: " + sortedScores.lastKey()); // 输出: Last key: Charlie

LinkedHashMap

LinkedHashMap是HashMap的子类,它在保持HashMap高效性能的同时,还维护了元素的插入顺序。

特点:

  • 保持元素的插入顺序
  • 允许null键和null值
  • 非线程安全
  • 基本操作的时间复杂度为O(1)
java
// 创建LinkedHashMap
LinkedHashMap<String, Integer> orderedScores = new LinkedHashMap<>();

// 添加键值对
orderedScores.put("Charlie", 92);
orderedScores.put("Alice", 95);
orderedScores.put("Bob", 87);

// 遍历LinkedHashMap (将保持插入顺序)
for (Map.Entry<String, Integer> entry : orderedScores.entrySet()) {
System.out.println(entry.getKey() + ": " + entry.getValue());
}
// 输出:
// Charlie: 92
// Alice: 95
// Bob: 87

Hashtable

Hashtable是一个线程安全的Map实现,但在现代Java应用中,通常被ConcurrentHashMap替代。

特点:

  • 线程安全(所有方法都是同步的)
  • 不允许null键或null值
  • 效率低于HashMap(因为同步开销)
java
// 创建Hashtable
Hashtable<String, Integer> threadSafeScores = new Hashtable<>();

// 添加键值对
threadSafeScores.put("Alice", 95);
threadSafeScores.put("Bob", 87);
// threadSafeScores.put("David", null); // 会抛出NullPointerException

Map接口常用方法

方法描述
put(K key, V value)将指定的键值对添加到Map中
get(Object key)返回指定键所映射的值,如果不存在则返回null
remove(Object key)从Map中移除指定键的映射关系
containsKey(Object key)检查Map是否包含指定的键
containsValue(Object value)检查Map是否包含指定的值
size()返回Map中键值对的数量
isEmpty()检查Map是否为空
clear()清空Map中的所有键值对
keySet()返回Map中所有键的Set集合
values()返回Map中所有值的Collection集合
entrySet()返回Map中所有键值对的Set集合
putAll(Map m)将指定Map中的所有键值对复制到此Map中
getOrDefault(Object key, V defaultValue)返回指定键所映射的值,如果不存在则返回默认值

遍历Map的方法

java
Map<String, Integer> map = new HashMap<>();
map.put("A", 1);
map.put("B", 2);
map.put("C", 3);

// 方法1:使用entrySet()
for (Map.Entry<String, Integer> entry : map.entrySet()) {
System.out.println(entry.getKey() + ": " + entry.getValue());
}

// 方法2:使用keySet()和get()
for (String key : map.keySet()) {
System.out.println(key + ": " + map.get(key));
}

// 方法3:使用Java 8 Lambda表达式
map.forEach((key, value) -> System.out.println(key + ": " + value));

实际应用场景

场景1:学生信息管理系统

java
// 用HashMap存储学生信息
Map<String, Student> studentDatabase = new HashMap<>();

// 添加学生
studentDatabase.put("S001", new Student("Alice", "Computer Science", 3.8));
studentDatabase.put("S002", new Student("Bob", "Electrical Engineering", 3.5));
studentDatabase.put("S003", new Student("Charlie", "Mathematics", 3.9));

// 快速通过学号查找学生
String studentId = "S002";
Student student = studentDatabase.get(studentId);
if (student != null) {
System.out.println("Found student: " + student.getName() + ", Major: " + student.getMajor());
} else {
System.out.println("Student not found!");
}
// 输出: Found student: Bob, Major: Electrical Engineering

场景2:词频统计

使用Map来统计文本中单词出现的频率:

java
public static Map<String, Integer> countWordFrequency(String text) {
Map<String, Integer> wordFrequency = new HashMap<>();

// 将文本分割为单词
String[] words = text.toLowerCase().split("\\W+");

// 统计每个单词的频率
for (String word : words) {
if (!word.isEmpty()) {
// 如果单词已存在,则频率+1;否则设为1
wordFrequency.put(word, wordFrequency.getOrDefault(word, 0) + 1);
}
}

return wordFrequency;
}

// 使用示例
String text = "To be or not to be, that is the question";
Map<String, Integer> frequency = countWordFrequency(text);

// 输出结果
frequency.forEach((word, count) -> System.out.println(word + ": " + count));
// 输出:
// to: 2
// be: 2
// or: 1
// not: 1
// that: 1
// is: 1
// the: 1
// question: 1

场景3:缓存实现

使用LinkedHashMap实现一个简单的LRU (Least Recently Used) 缓存:

java
public class LRUCache<K, V> extends LinkedHashMap<K, V> {
private final int capacity;

public LRUCache(int capacity) {
// true表示按访问顺序排序(最近访问的元素会移到末尾)
super(capacity, 0.75f, true);
this.capacity = capacity;
}

@Override
protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K, V> eldest) {
// 当大小超过容量时,移除最老的元素
return size() > capacity;
}
}

// 使用示例
LRUCache<Integer, String> cache = new LRUCache<>(3);
cache.put(1, "One");
cache.put(2, "Two");
cache.put(3, "Three");
System.out.println(cache); // 输出: {1=One, 2=Two, 3=Three}

// 访问键1(将移动到末尾)
cache.get(1);
System.out.println(cache); // 输出: {2=Two, 3=Three, 1=One}

// 添加新元素,将移除最老的元素(此时是2)
cache.put(4, "Four");
System.out.println(cache); // 输出: {3=Three, 1=One, 4=Four}

选择合适的Map实现

Map实现适用场景
HashMap需要高效的查找、插入和删除操作,不关心元素顺序
TreeMap需要按键的自然顺序或自定义顺序存储元素
LinkedHashMap需要保持元素插入顺序或访问顺序
Hashtable需要线程安全的情况(但更推荐ConcurrentHashMap)
ConcurrentHashMap高并发环境下的线程安全Map实现
EnumMap键是枚举类型
IdentityHashMap使用引用相等(==)而不是equals()比较键
WeakHashMap当键不再被引用时,相应的条目会自动被移除

Map接口的常见问题与解决方案

1. 哈希冲突

当两个不同的键产生相同的哈希值时,会发生哈希冲突。HashMap通过链表(或在Java 8以后的红黑树)解决这个问题。

提示

为了减少哈希冲突,在自定义类作为键时,应正确重写hashCode()equals()方法。

2. 避免并发修改异常

在遍历Map的同时修改它,可能会抛出ConcurrentModificationException

java
// 错误方式:在遍历时直接修改Map
Map<String, Integer> scores = new HashMap<>();
scores.put("Alice", 85);
scores.put("Bob", 65);

for (Map.Entry<String, Integer> entry : scores.entrySet()) {
if (entry.getValue() < 70) {
scores.remove(entry.getKey()); // 抛出ConcurrentModificationException
}
}

// 正确方式:使用迭代器的remove方法
Map<String, Integer> scores = new HashMap<>();
scores.put("Alice", 85);
scores.put("Bob", 65);

Iterator<Map.Entry<String, Integer>> iterator = scores.entrySet().iterator();
while (iterator.hasNext()) {
Map.Entry<String, Integer> entry = iterator.next();
if (entry.getValue() < 70) {
iterator.remove(); // 正确的移除方式
}
}

总结

Java Map接口提供了一种强大的机制来存储和操作键值对数据。它的主要实现类包括HashMap、TreeMap、LinkedHashMap和Hashtable,每种实现都有其特定的用途和性能特点。通过了解这些特性,你可以为不同的应用场景选择最合适的Map实现。

Map接口在实际开发中应用广泛,从简单的数据存储和检索到复杂的缓存实现和算法应用。掌握Map接口的使用是Java编程的基本技能之一。

练习

  1. 创建一个HashMap,存储5个国家名称和它们的首都,然后实现以下功能:

    • 添加一个新的国家和首都
    • 检查特定国家是否在Map中
    • 打印所有国家及其首都
    • 移除一个国家
  2. 实现一个使用TreeMap的电话簿程序,按姓名字母顺序存储联系人信息。

  3. 使用Map实现一个简单的单词计数器,统计一段文本中每个单词出现的次数,并按出现频率从高到低排序输出结果。

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