Java编程的逻辑 (50) - 剖析EnumMap

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上节我们提到，如果需要一个Map的实现类，并且键的类型为枚举类型，可以使用HashMap，但应该使用一个专门的实现类EnumMap。

为什么要有一个专门的类呢？我们之前介绍过枚举的本质，主要是因为枚举类型有两个特征，一是它可能的值是有限的且预先定义的，二是枚举值都有一个顺序，这两个特征使得可以更为高效的实现Map接口。

我们先来看EnumMap的用法，然后看它到底是怎么实现的。

用法

举个简单的例子，比如，有一批关于衣服的记录，我们希望按尺寸统计衣服的数量。

定义一个简单的枚举类，Size，表示衣服的尺寸：

public enum Size {
    SMALL, MEDIUM, LARGE
}

定义一个简单类，Clothes，表示衣服：

class Clothes {
    String id;
    Size size;

    public Clothes(String id, Size size) {
        this.id = id;
        this.size = size;
    }

    public String getId() {
        return id;
    }

    public Size getSize() {
        return size;
    }
}

有一个表示衣服记录的列表List<Clothes>，我们希望按尺寸统计数量，统计方法可以为：

public static Map<Size, Integer> countBySize(List<Clothes> clothes){
    Map<Size, Integer> map = new EnumMap<>(Size.class);
    for(Clothes c : clothes){
        Size size = c.getSize();
        Integer count = map.get(size);
        if(count!=null){
            map.put(size, count+1);
        }else{
            map.put(size, 1);
        }
    }
    return map;
}

大部分代码都很简单，需要注意的是EnumMap的构造方法，如下所示：

Map<Size, Integer> map = new EnumMap<>(Size.class);

与HashMap不同，它需要传递一个类型信息，我们在37节简单介绍过运行时类型信息，Size.class表示枚举类Size的运行时类型信息，Size.class也是一个对象，它的类型是Class。

为什么需要这个参数呢？没有这个，EnumMap就不知道具体的枚举类是什么，也无法初始化内部的数据结构。

使用以上的统计方法也是很简单的，比如：

List<Clothes> clothes = Arrays.asList(new Clothes[]{
        new Clothes("C001",Size.SMALL),
        new Clothes("C002", Size.LARGE),
        new Clothes("C003", Size.LARGE),
        new Clothes("C004", Size.MEDIUM),
        new Clothes("C005", Size.SMALL),
        new Clothes("C006", Size.SMALL),
});
System.out.println(countBySize(clothes));

输出为：

{SMALL=3, MEDIUM=1, LARGE=2}

需要说明的是，EnumMap是保证顺序的，输出是按照键在枚举中的顺序的。

除了以上介绍的构造方法，EnumMap还有两个构造方法，可以接受一个键值匹配的EnumMap或普通Map，如下所示：

public EnumMap(EnumMap<K, ? extends V> m)
public EnumMap(Map<K, ? extends V> m)

比如：

Map<Size,Integer> hashMap = new HashMap<>();
hashMap.put(Size.LARGE, 2);
hashMap.put(Size.SMALL, 1);
Map<Size, Integer> enumMap = new EnumMap<>(hashMap);

以上就是EnumMap的基本用法，与HashMap的主要不同，一是构造方法需要传递类型参数，二是保证顺序。

有人可能认为，对于枚举，使用Map是没有必要的，比如对于上面的统计例子，可以使用一个简单的数组：

public static int[] countBySize(List<Clothes> clothes){
    int[] stat = new int[Size.values().length];
    for(Clothes c : clothes){
        Size size = c.getSize();
        stat[size.ordinal()]++;
    }
    return stat;
}

这个方法可以这么使用：

List<Clothes> clothes = Arrays.asList(new Clothes[]{
        new Clothes("C001",Size.SMALL),
        new Clothes("C002", Size.LARGE),
        new Clothes("C003", Size.LARGE),
        new Clothes("C004", Size.MEDIUM),
        new Clothes("C005", Size.SMALL),
        new Clothes("C006", Size.SMALL),
});
int[] stat = countBySize(clothes);
for(int i=0; i<stat.length; i++){
    System.out.println(Size.values()[i]+": "+ stat[i]);
}

输出为：

SMALL 3
MEDIUM 1
LARGE 2

可以达到同样的目的。但，直接使用数组需要自己维护数组索引和枚举值之间的关系，正如枚举的优点是简洁、安全、方便一样，EnumMap同样是更为简洁、安全、方便，它内部也是基于数组实现的，但隐藏了细节，提供了更为方便安全的接口。

实现原理

下面我们来看下具体的代码，从内部组成开始。

内部组成

EnumMap有如下实例变量：

private final Class<K> keyType;
private transient K[] keyUniverse;
private transient Object[] vals;
private transient int size = 0;

keyType表示类型信息，keyUniverse表示键，是所有可能的枚举值，vals表示键对应的值，size表示键值对个数。

构造方法

EnumMap的基本构造方法代码为：

public EnumMap(Class<K> keyType) {
    this.keyType = keyType;
    keyUniverse = getKeyUniverse(keyType);
    vals = new Object[keyUniverse.length];
}

调用了getKeyUniverse以初始化键数组，其代码为：

private static <K extends Enum<K>> K[] getKeyUniverse(Class<K> keyType) {
    return SharedSecrets.getJavaLangAccess()
                                    .getEnumConstantsShared(keyType);
}

这段代码又调用了其他一些比较底层的代码，就不列举了，原理是最终调用了枚举类型的values方法，values方法返回所有可能的枚举值。关于values方法，我们在枚举的本质一节介绍过其用法和实现原理，这里就不赘述了。

保存键值对

put方法的代码为：

public V put(K key, V value) {
    typeCheck(key);

    int index = key.ordinal();
    Object oldValue = vals[index];
    vals[index] = maskNull(value);
    if (oldValue == null)
        size++;
    return unmaskNull(oldValue);
}

首先调用typeCheck检查键的类型，其代码为：

private void typeCheck(K key) {
    Class keyClass = key.getClass();
    if (keyClass != keyType && keyClass.getSuperclass() != keyType)
        throw new ClassCastException(keyClass + " != " + keyType);
}

如果类型不对，会抛出异常。类型正确的话，调用ordinal获取索引index，并将值value放入值数组vals[index]中。EnumMap允许值为null，为了区别null值与没有值，EnumMap将null值包装成了一个特殊的对象，有两个辅助方法用于null的打包和解包，打包方法为maskNull，解包方法为unmaskNull。这个特殊对象及两个方法的代码为：

private static final Object NULL = new Object() {
    public int hashCode() {
        return 0;
    }

    public String toString() {
        return "java.util.EnumMap.NULL";
    }
};

private Object maskNull(Object value) {
    return (value == null ? NULL : value);
}

private V unmaskNull(Object value) {
    return (V) (value == NULL ? null : value);
}

根据键获取值

get方法的代码为：

public V get(Object key) {
    return (isValidKey(key) ?
            unmaskNull(vals[((Enum)key).ordinal()]) : null);
}

键有效的话，通过ordinal方法取索引，然后直接在值数组vals里找。isValidKey的代码与typeCheck类似，但是返回boolean值而不是抛出异常，代码为：

private boolean isValidKey(Object key) {
    if (key == null)
        return false;

    // Cheaper than instanceof Enum followed by getDeclaringClass
    Class keyClass = key.getClass();
    return keyClass == keyType || keyClass.getSuperclass() == keyType;
}

查看是否包含某个值

containsValue方法的代码为：

public boolean containsValue(Object value) {
    value = maskNull(value);

    for (Object val : vals)
        if (value.equals(val))
            return true;

    return false;
}

遍历值数组进行比较。

根据键删除

remove方法的代码为：

public V remove(Object key) {
    if (!isValidKey(key))
        return null;
    int index = ((Enum)key).ordinal();
    Object oldValue = vals[index];
    vals[index] = null;
    if (oldValue != null)
        size--;
    return unmaskNull(oldValue);
}

代码也很简单，就不解释了。

实现原理小结

以上就是EnumMap的基本实现原理，内部有两个数组，长度相同，一个表示所有可能的键，一个表示对应的值，值为null表示没有该键值对，键都有一个对应的索引，根据索引可直接访问和操作其键和值，效率很高。

小结

本节介绍了EnumMap的用法和实现原理，用法上，如果需要一个Map且键是枚举类型，则应该用它，简洁、方便、安全，实现原理上，内部使用数组，根据键的枚举索引直接操作，效率很高。

下一节，我们来看枚举类型的Set接口的实现类EnumSet，与之前介绍的Set的实现类不同，它内部没有用对应的Map类EnumMap，而是使用了一种极为高效的方式，什么方式呢？

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