深入理解 Java 中的 HashMap 类
简介
在 Java 编程中，HashMap 是一个非常重要且常用的类，它位于 java.util 包下。HashMap 基于哈希表实现了 Map 接口，用于存储键值对。它提供了快速的查找、插入和删除操作，在许多场景下都有广泛的应用。本文将详细介绍 HashMap 的基础概念、使用方法、常见实践以及最佳实践，帮助读者更好地理解和使用这个类。
目录
- 基础概念
- 使用方法
- 常见实践
- 最佳实践
- 小结
- 参考资料
基础概念
哈希表
哈希表是一种根据键（key）直接访问内存存储位置的数据结构。它通过哈希函数将键映射到一个存储桶（bucket）中，这个存储桶可以是数组的一个索引位置。理想情况下，每个键都应该映射到唯一的存储桶，但在实际应用中，可能会出现多个键映射到同一个存储桶的情况，这就是哈希冲突。
HashMap 的工作原理
HashMap 内部使用数组和链表（或红黑树，当链表长度超过一定阈值时）来实现哈希表。当我们向 HashMap 中插入一个键值对时，首先会根据键的哈希码（通过 hashCode() 方法计算）和数组长度计算出存储桶的索引位置。如果该位置为空，则直接将键值对存储在该位置；如果该位置已经有元素，则会遍历链表（或红黑树），查找是否已经存在相同的键，如果存在则更新其值，否则将新的键值对插入到链表（或红黑树）中。
容量和负载因子
- 容量（Capacity）：
HashMap内部数组的大小，初始容量默认为 16。 - 负载因子（Load Factor）：当
HashMap中存储的元素数量达到容量乘以负载因子时，会触发扩容操作，将数组大小翻倍。默认负载因子为 0.75。
使用方法
导入包
在使用 HashMap 之前，需要导入 java.util.HashMap 包：
import java.util.HashMap;
创建 HashMap 对象
可以使用默认构造函数创建一个空的 HashMap 对象，也可以指定初始容量和负载因子：
// 使用默认构造函数
HashMap<String, Integer> map1 = new HashMap<>();
// 指定初始容量
HashMap<String, Integer> map2 = new HashMap<>(20);
// 指定初始容量和负载因子
HashMap<String, Integer> map3 = new HashMap<>(20, 0.8f);
插入键值对
使用 put() 方法向 HashMap 中插入键值对：
HashMap<String, Integer> map = new HashMap<>();
map.put("apple", 1);
map.put("banana", 2);
map.put("cherry", 3);
获取值
使用 get() 方法根据键获取对应的值：
Integer value = map.get("apple");
System.out.println(value); // 输出: 1
检查键是否存在
使用 containsKey() 方法检查指定的键是否存在于 HashMap 中：
boolean containsKey = map.containsKey("banana");
System.out.println(containsKey); // 输出: true
删除键值对
使用 remove() 方法根据键删除对应的键值对：
map.remove("cherry");
遍历 HashMap
可以使用 keySet()、values() 或 entrySet() 方法遍历 HashMap：
// 遍历键
for (String key : map.keySet()) {
System.out.println(key);
}
// 遍历值
for (Integer value : map.values()) {
System.out.println(value);
}
// 遍历键值对
for (HashMap.Entry<String, Integer> entry : map.entrySet()) {
System.out.println(entry.getKey() + ": " + entry.getValue());
}
常见实践
统计元素出现的次数
可以使用 HashMap 统计数组中元素出现的次数：
import java.util.HashMap;
public class CountElements {
public static void main(String[] args) {
int[] arr = {1, 2, 3, 2, 1, 3, 4, 5, 4};
HashMap<Integer, Integer> countMap = new HashMap<>();
for (int num : arr) {
countMap.put(num, countMap.getOrDefault(num, 0) + 1);
}
for (HashMap.Entry<Integer, Integer> entry : countMap.entrySet()) {
System.out.println(entry.getKey() + " appears " + entry.getValue() + " times.");
}
}
}
缓存数据
在某些场景下，我们可以使用 HashMap 作为缓存，避免重复计算：
import java.util.HashMap;
public class CacheExample {
private static HashMap<Integer, Integer> cache = new HashMap<>();
public static int fibonacci(int n) {
if (n <= 1) {
return n;
}
if (cache.containsKey(n)) {
return cache.get(n);
}
int result = fibonacci(n - 1) + fibonacci(n - 2);
cache.put(n, result);
return result;
}
public static void main(String[] args) {
int n = 10;
System.out.println("Fibonacci number at position " + n + " is: " + fibonacci(n));
}
}
最佳实践
选择合适的初始容量和负载因子
如果能够预估 HashMap 中将要存储的元素数量，建议在创建 HashMap 对象时指定合适的初始容量，避免频繁的扩容操作，提高性能。同时，根据实际情况调整负载因子，以平衡空间和时间开销。
重写 hashCode() 和 equals() 方法
如果使用自定义类作为 HashMap 的键，需要重写该类的 hashCode() 和 equals() 方法，以确保键的唯一性和正确的哈希计算。例如：
import java.util.HashMap;
class Person {
private String name;
private int age;
public Person(String name, int age) {
this.name = name;
this.age = age;
}
@Override
public int hashCode() {
return name.hashCode() + age;
}
@Override
public boolean equals(Object obj) {
if (this == obj) {
return true;
}
if (obj == null || getClass() != obj.getClass()) {
return false;
}
Person other = (Person) obj;
return name.equals(other.name) && age == other.age;
}
}
public class CustomKeyExample {
public static void main(String[] args) {
HashMap<Person, String> personMap = new HashMap<>();
Person p1 = new Person("John", 25);
personMap.put(p1, "Engineer");
Person p2 = new Person("John", 25);
System.out.println(personMap.get(p2)); // 输出: Engineer
}
}
线程安全问题
HashMap 是非线程安全的，如果在多线程环境下使用，建议使用 ConcurrentHashMap 代替。
小结
HashMap 是 Java 中一个非常强大且常用的类，它基于哈希表实现了快速的键值对存储和查找操作。通过本文的介绍，我们了解了 HashMap 的基础概念、使用方法、常见实践以及最佳实践。在实际应用中，需要根据具体场景选择合适的使用方式，同时注意线程安全等问题。
参考资料
- 《Effective Java》（第三版）