Java集合之Map和Set源码分析

以前就知道Set和Map是java中的两种集合，Set代表集合元素无序、不可重复的集合；Map是代表一种由多个key-value对组成的集合。然后两个集合分别有增删改查的方法。然后就迷迷糊糊地用着。突然在一个风雨交加的夜晚，感觉不能这样迷迷糊糊，得深入地去研究一下，于是去看了看源码(jdk1.8)。

1.Map源码。

/**
 * An object that maps keys to values.  A map cannot contain duplicate keys;
 * each key can map to at most one value.

 *The Map interface provides three collection view, which
 * allow a map's contents to be viewed as a set of keys, collection of values,
 * or set of key-value mappings.

这是jdk源码中的对map这个接口的描述，大概意思是说这是一个键值对映射的对象，一个map中不能包含重复的键，每一个键最多映射一个值；map这个接口提供了三个集合视图，一个是关于key的set集合，一个是关于value的collection集合，还有一个是关于key-value映射关系的set集合。分别是以下几个集合对象。

Set<K> keySet();

Collection<V> values();

Set<Map.Entry<K, V>> entrySet();

可以很明显地看出，map就是set的扩展。看了这个有什么用呢？用途很多，更加深入理解集合，你会被这些设计者(Josh Bloch)的思想所折服—当然这都比较扯淡。来点实际的，以上三种集合的大小都是一样的，因为key-value是一一对应的，所以你有三种方式来遍历map。这位兄台已经进行实验。http://www.2cto.com/kf/201212/179013.html

public interface Map<K,V> {
    // Query Operations
...

这是jdk1.8中的Map接口的定义，可以发现map并没有继承collection，但是我之前在网上看了好多都说map也继承的collection，让我百思不解。

2.Set源码。

public interface Set<E> extends Collection<E> {
    // Query Operations
...

set才是真正地继承了collection接口，map只是在set的基础上的一个扩展。继承collection的还有List;

/**
 * A collection that contains no duplicate elements.  More formally, sets
 * contain no pair of elements <code>e1</code> and <code>e2</code> such that
 * <code>e1.equals(e2)</code>, and at most one null element.  As implied by
 * its name, this interface models the mathematical <i>set</i> abstraction.

以上是源码中对Set的描述 set是数学中的集合的概念，正如名字所暗示的一样，java中的Set是对数学中set的抽象，Set中的元素是不能重复的，Set最多可含一个null元素;对于任意的非null元素e1和e2,都满足e1.equals(e2)==false. 并且在Set接口中，还有一些交集和并集的方法，如 addAll(Collection<? extends E> c); containsAll(Collection<?> c);

（虽然集合号称存储的是Java对象，但实际上并不会真正将Java对象放在集合中，而是在集合中保留对象的引用）

3.HashMap和hashSet

(1)HashMap

HashMap是Map的一个具体实现。HashMap实际上是一个链表散列的数据结构，即数组和链表的结合体。HashMap的底层就是一个数组结构。

 public HashMap(int initialCapacity) {
        this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    }

    public HashMap() {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
    }

以上是是HashMap中的默认的构造方法，设置了DEFAULT_LOAD_FACTOR=0.75f, 还有带参数的构造方法，可以设置负载因子（一种时间和空间成本上的折衷），增大负载因子可以减少所占内存的开销，但是会增加查询数据的时间开销，get()和put()都会用到查询。其他的构造方法中还有一个参数initialCapacity，定义了一个默认的数值DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4；结果就是16，一个hashMap初始的容量就是16，但是会动态地改变大小，这里的initialCapacity不等于size()返回的值。

public V put(K key, V value) {
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
    }

    /**
     * Implements Map.put and related methods
     *
     * @param hash hash for key
     * @param key the key
     * @param value the value to put
     * @param onlyIfAbsent if true, don't change existing value
     * @param evict if false, the table is in creation mode.
     * @return previous value, or null if none
     */
    final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {
            Node<K,V> e; K k;
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }
            if (e != null) { // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount;
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

以上是hashMap中的对于put方法的描述，如果元素重复，则会保留key，替换value；刚刚在介绍Map时提到了Map.Entry这个东西，在hashMap中，Node<K,V>实现了这个接口(static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> ); 每个key-value都放在了Node<K,V>这个对象中，采用 Node<K,V>[] tab 数组的方式来保存key-value对；HashMap使用一种传说中的“Hash算法”来确定每个元素的存储位置, 调用key的hashCode()方法，通过返回值来确定每个元素的存储位置。如果在数组的该位置上已经存放了其他元素，那么这里的位置将以链表的形式存放。同理，get方法也是如此。

(2)HashSet以下是HashSet源码中的构造方法：

  /**
     * Constructs a new, empty set; the backing <tt>HashMap</tt> instance has
     * default initial capacity (16) and load factor (0.75).
     */
    public HashSet() {
        map = new HashMap<>();
    }

一看到默认的构造方法就什么都明白了，HashSet是基于HashMap实现的，只是封装了HashMap，源码中也是这样描述的；在HashSet中也说明了initial capacity (16) and load factor (0.75). 初始的容量是16，默认的负载因子是0.75。

（3）treeMap

TreeMap中的元素也是存储在一个Entry<K,V>中，但是底层是用一棵“红黑树”来保存Entry,因此，TreeMap添加元素、取出元素的性能比HashMap低。当需要添加元素时，要遍历这棵二叉树才能插入合适的位置，而HashMap是根据hashCode返回值来确定Entry的存放位置，所以TreeMap存取元素比较消耗性能。但正因为如此，TreeMap也有自己的优势，TreeMap中的元素总是保持一种有序的状态。

    public static void main(String[] args) {
        Map map = new TreeMap();
        map.put("9", 9);
        map.put("2", 2);
        map.put("1", 1);
        map.put("4", 4);

        Iterator it = map.keySet().iterator();
        while (it.hasNext()) {
            System.out.println(map.get(it.next()));
        }
    }
//结果是：
1
2
4
9

 (4)TreeSet

以下是TreeSet源码中的构造方法，类似于HashSet,封装了一个TreeMap,在TreeSet中元素也是有序的。

public TreeSet() {
        this(new TreeMap<E,Object>());
    }