Java Map完全指南：从基础到高级应用

1. Map接口概述

Map是Java集合框架中的核心接口之一，用于存储键值对(key-value pairs)。与List和Set不同，Map不是Collection接口的子接口，而是一个独立的顶级接口。Map中的每个键都是唯一的，但值可以重复。

Map的基本特性

• 键(Key)必须唯一，值(Value)可以重复
• 一个键只能映射到一个值
• 不同键可以映射到相同的值
• 键和值都可以为null（取决于具体实现）

2. Map接口的核心方法

基本操作方法

// 添加键值对
V put(K key, V value)

// 获取指定键的值
V get(Object key)

// 移除指定键的键值对
V remove(Object key)

// 检查是否包含指定键
boolean containsKey(Object key)

// 检查是否包含指定值
boolean containsValue(Object value)

// 获取Map大小
int size()

// 检查Map是否为空
boolean isEmpty()

// 清空Map
void clear()

批量操作方法

// 将另一个Map的所有键值对添加到当前Map
void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m)

// 获取所有键的集合
Set<K> keySet()

// 获取所有值的集合
Collection<V> values()

// 获取所有键值对的集合
Set<Map.Entry<K, V>> entrySet()

3. 主要实现类详解

3.1 HashMap

HashMap是Map接口最常用的实现类，基于哈希表实现。

特点：

• 允许null键和null值
• 非线程安全
• 无序存储
• 平均时间复杂度：O(1)

内部结构：

• JDK 1.8之前：数组 + 链表
• JDK 1.8及之后：数组 + 链表 + 红黑树

// HashMap示例
Map<String, Integer> hashMap = new HashMap<>();
hashMap.put("apple", 10);
hashMap.put("banana", 20);
hashMap.put("orange", 15);

// 遍历HashMap
for (Map.Entry<String, Integer> entry : hashMap.entrySet()) {
    System.out.println(entry.getKey() + ": " + entry.getValue());
}

3.2 LinkedHashMap

LinkedHashMap继承自HashMap，维护了插入顺序或访问顺序。

特点：

• 保持插入顺序或访问顺序
• 基于哈希表和双向链表实现
• 性能略低于HashMap

// LinkedHashMap示例
Map<String, Integer> linkedHashMap = new LinkedHashMap<>();
linkedHashMap.put("first", 1);
linkedHashMap.put("second", 2);
linkedHashMap.put("third", 3);

// 输出顺序与插入顺序一致
linkedHashMap.forEach((k, v) -> System.out.println(k + ": " + v));

3.3 TreeMap

TreeMap基于红黑树实现，是有序的Map。

特点：

• 根据键的自然顺序或自定义Comparator排序
• 不允许null键，但允许null值
• 时间复杂度：O(log n)

// TreeMap示例
Map<String, Integer> treeMap = new TreeMap<>();
treeMap.put("zebra", 26);
treeMap.put("apple", 1);
treeMap.put("banana", 2);

// 按键的字典序输出
treeMap.forEach((k, v) -> System.out.println(k + ": " + v));
// 输出: apple: 1, banana: 2, zebra: 26

3.4 ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap是线程安全的HashMap实现。

特点：

• 线程安全
• 高并发性能
• 不允许null键和null值
• 使用分段锁机制（JDK 1.8改为CAS + synchronized）

// ConcurrentHashMap示例
Map<String, Integer> concurrentMap = new ConcurrentHashMap<>();
concurrentMap.put("thread1", 1);
concurrentMap.put("thread2", 2);

// 原子操作
concurrentMap.putIfAbsent("thread3", 3);
concurrentMap.computeIfAbsent("thread4", k -> 4);

4. 高级特性和方法

4.1 JDK 1.8新增方法

Map<String, Integer> map = new HashMap<>();
map.put("a", 1);
map.put("b", 2);

// getOrDefault - 获取值，如果不存在返回默认值
Integer value = map.getOrDefault("c", 0); // 返回0

// putIfAbsent - 如果键不存在则添加
map.putIfAbsent("c", 3);

// replace - 替换指定键的值
map.replace("a", 10);

// compute - 计算新值
map.compute("a", (k, v) -> v * 2); // a的值变为20

// merge - 合并值
map.merge("d", 1, (oldVal, newVal) -> oldVal + newVal);

4.2 Stream API结合使用

Map<String, Integer> map = new HashMap<>();
map.put("apple", 10);
map.put("banana", 20);
map.put("orange", 15);

// 过滤并收集到新Map
Map<String, Integer> filtered = map.entrySet().stream()
    .filter(entry -> entry.getValue() > 10)
    .collect(Collectors.toMap(
        Map.Entry::getKey,
        Map.Entry::getValue
    ));

// 转换值
Map<String, String> transformed = map.entrySet().stream()
    .collect(Collectors.toMap(
        Map.Entry::getKey,
        entry -> "Count: " + entry.getValue()
    ));

5. 性能比较和选择建议

性能对比表

选择建议

使用HashMap当：

• 需要最快的查找、插入、删除操作
• 不需要保持顺序
• 单线程环境

使用LinkedHashMap当：

• 需要保持插入顺序或访问顺序
• 需要实现LRU缓存

使用TreeMap当：

• 需要按键排序
• 需要范围查询功能

使用ConcurrentHashMap当：

• 多线程环境
• 需要高并发性能

6. 最佳实践和注意事项

6.1 正确重写hashCode()和equals()

public class Person {
    private String name;
    private int age;
    
    @Override
    public boolean equals(Object obj) {
        if (this == obj) return true;
        if (obj == null || getClass() != obj.getClass()) return false;
        Person person = (Person) obj;
        return age == person.age && Objects.equals(name, person.name);
    }
    
    @Override
    public int hashCode() {
        return Objects.hash(name, age);
    }
}

6.2 初始容量设置

// 如果已知Map的大小，设置初始容量可以提高性能
Map<String, Integer> map = new HashMap<>(16);

// 对于已知大小的数据，计算合适的初始容量
int expectedSize = 100;
int initialCapacity = (int) (expectedSize / 0.75) + 1;
Map<String, Integer> optimizedMap = new HashMap<>(initialCapacity);

6.3 避免并发修改异常

Map<String, Integer> map = new HashMap<>();
map.put("a", 1);
map.put("b", 2);

// 错误的做法 - 会抛出ConcurrentModificationException
// for (String key : map.keySet()) {
//     if (key.equals("a")) {
//         map.remove(key);
//     }
// }

// 正确的做法 - 使用Iterator
Iterator<Map.Entry<String, Integer>> iterator = map.entrySet().iterator();
while (iterator.hasNext()) {
    Map.Entry<String, Integer> entry = iterator.next();
    if (entry.getKey().equals("a")) {
        iterator.remove();
    }
}

6.4 使用不可变Map

// 创建不可变Map
Map<String, Integer> immutableMap = Map.of(
    "apple", 10,
    "banana", 20,
    "orange", 15
);

// 或者使用Collections.unmodifiableMap()
Map<String, Integer> originalMap = new HashMap<>();
originalMap.put("a", 1);
Map<String, Integer> unmodifiableMap = Collections.unmodifiableMap(originalMap);

7. 实际应用场景

7.1 缓存实现

public class LRUCache<K, V> extends LinkedHashMap<K, V> {
    private final int maxSize;
    
    public LRUCache(int maxSize) {
        super(16, 0.75f, true); // accessOrder = true
        this.maxSize = maxSize;
    }
    
    @Override
    protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K, V> eldest) {
        return size() > maxSize;
    }
}

7.2 统计词频

public Map<String, Integer> countWords(String text) {
    Map<String, Integer> wordCount = new HashMap<>();
    String[] words = text.toLowerCase().split("\\s+");
    
    for (String word : words) {
        wordCount.merge(word, 1, Integer::sum);
    }
    
    return wordCount;
}

7.3 分组操作

// 将学生按年级分组
List<Student> students = getStudents();
Map<String, List<Student>> studentsByGrade = students.stream()
    .collect(Collectors.groupingBy(Student::getGrade));