Java HashMap 详解

1. HashMap 概念

HashMap 是 Java 集合框架中 Map 接口的一个实现类，用于存储键值对(key-value)映射关系。它具有以下特性：

• 允许键(key)和值(value)为 null
• 键不能重复（重复的键会覆盖原有值）
• 集合中的元素是无序的
• 非线程安全（不同步）

2. HashMap 底层结构

2.1 存储结构演变

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

2.2 核心结构说明

1. 数组：HashMap 的主体结构，默认初始容量为 16
2. 链表：解决哈希冲突的分支结构
3. 红黑树：当链表长度超过阈值(默认为8)时，链表会转换为红黑树以提高查询效率

2.3 存储过程

1. 计算键的 hashCode
2. 对 hashCode 进行取模运算得到数组下标
3. 如果该位置为空，直接存储
4. 如果该位置不为空（哈希冲突），则：
   • Java 1.8 前：添加到链表末尾
   • Java 1.8 后：先添加到链表，链表长度超过8时转换为红黑树

3. HashMap 核心特点

1. 高效性：增、删、改、查操作效率较高
2. 无序性：元素存储顺序与插入顺序无关
3. 动态扩容：当元素数量超过阈值(容量*负载因子，默认0.75)时自动扩容
4. 线程不安全：不适合多线程环境使用

4. HashMap 使用示例

4.1 基本使用

Map<String, String> map = new HashMap<>();
map.put("key1", "value1");
map.put("key2", "value2");
String value = map.get("key1");

4.2 自定义对象作为键

当使用自定义对象作为 HashMap 的键时，必须重写 hashCode() 和 equals() 方法：

public class Student {
    private String name;
    private int age;

    // 构造方法、getter/setter 省略

    @Override
    public boolean equals(Object o) {
        if (this == o) return true;
        if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false;
        Student student = (Student) o;
        return age == student.age && Objects.equals(name, student.name);
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        return Objects.hash(name, age);
    }
}

4.3 遍历方式

1. 键找值方式：

Set<Student> keySet = map.keySet();
for (Student key : keySet) {
    String value = map.get(key);
    System.out.println(key + "=" + value);
}

2. 键值对对象方式：

Set<Map.Entry<Student, String>> entrySet = map.entrySet();
for (Map.Entry<Student, String> entry : entrySet) {
    System.out.println(entry.getKey() + "=" + entry.getValue());
}

5. LinkedHashMap

LinkedHashMap 是 HashMap 的子类，在 HashMap 基础上维护了一个双向链表，可以保持元素的插入顺序或访问顺序。

5.1 特点

1. 继承自 HashMap
2. 维护插入顺序或访问顺序
3. 性能略低于 HashMap（因为要维护链表）

5.2 使用示例

LinkedHashMap<String, String> map = new LinkedHashMap<>();
map.put("马云", "阿里巴巴");
map.put("马化腾", "腾讯");
map.put("李彦宏", "百度");

// 遍历时会按照插入顺序输出
for (Map.Entry<String, String> entry : map.entrySet()) {
    System.out.println(entry.getKey() + "=" + entry.getValue());
}

6. 性能优化与注意事项

1. 初始容量：预估元素数量设置合理的初始容量，避免频繁扩容
2. 负载因子：默认0.75，可根据实际情况调整
3. 哈希冲突：良好的 hashCode() 实现可以减少冲突
4. 线程安全：多线程环境下应使用 ConcurrentHashMap 或 Collections.synchronizedMap()
5. 内存泄漏：避免使用可变对象作为键

7. 常见问题

1. HashMap 和 HashSet 的关系：

   • HashSet 底层实际上使用 HashMap 实现
   • HashSet 只使用 HashMap 的键，值统一为一个静态常量

2. 为什么重写 equals() 必须重写 hashCode()：

   • 保证相同对象有相同哈希码
   • 确保在 HashMap 中能正确找到对象

3. 链表转红黑树的阈值：

   • 默认是链表长度超过8时转换
   • 红黑树退化为链表的阈值是6（避免频繁转换）

HashMap 是 Java 集合框架中非常重要且高效的集合类，合理使用可以大大提高程序处理数据的效率，但需要注意其线程不安全特性和正确实现键对象的 hashCode() 和 equals() 方法。