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# Java数据结构中的Map与Set该怎么理解
## 一、引言
在Java集合框架中，`Map`和`Set`是两类非常重要且常用的数据结构。它们虽然都属于集合范畴，但在设计理念和使用场景上存在显著差异。本文将深入剖析这两种数据结构的核心特性、实现原理以及典型应用场景，帮助开发者建立系统化的理解。
## 二、Set接口解析
### 2.1 Set的基本特性
Set是一种不允许包含重复元素的集合，其核心特征包括：
- **唯一性保证**：自动过滤重复元素
- **无序性**（部分实现）：多数实现不维护插入顺序
- **数学集合抽象**：支持并集、交集等集合运算
```java
Set<String> set = new HashSet<>();
set.add("apple");
set.add("banana");
set.add("apple"); // 重复元素不会被添加
| 实现类 | 底层结构 | 时间复杂度 | 是否有序 | 线程安全 |
|---|---|---|---|---|
| HashSet | 哈希表 | O(1) | 否 | 否 |
| LinkedHashSet | 哈希表+链表 | O(1) | 插入顺序 | 否 |
| TreeSet | 红黑树 | O(log n) | 自然排序 | 否 |
Map存储键值对(Key-Value)映射关系，核心特性包括： - 键唯一性：每个key对应唯一value - 快速访问：通过key高效检索value - 三种视图：keySet、values、entrySet
Map<Integer, String> map = new HashMap<>();
map.put(1, "Java");
map.put(2, "Python");
String value = map.get(1); // 返回"Java"
// 典型初始化方式
Map<String, Integer> map = new HashMap<>(16, 0.75f);
| 实现类 | 锁粒度 | 特点 |
|---|---|---|
| Hashtable | 全表锁 | 过时，不推荐使用 |
| ConcurrentHashMap | 分段锁/CAS | JDK8优化为synchronized+CAS |
| Collections.synchronizedMap | 全表锁 | 包装器模式 |
// HashSet的底层实现
public HashSet() {
map = new HashMap<>();
}
// 添加元素实际是作为HashMap的key
public boolean add(E e) {
return map.put(e, PRESENT)==null;
}
Map的keySet()方法返回的Set视图：
Set<K> keys = map.keySet();
// 对keys的操作会直接影响原map
| 操作 | HashSet | HashMap | TreeSet | TreeMap |
|---|---|---|---|---|
| 添加 | O(1) | O(1) | O(log n) | O(log n) |
| 查询 | O(1) | O(1) | O(log n) | O(log n) |
| 删除 | O(1) | O(1) | O(log n) | O(log n) |
当自定义类作为Map的Key或Set元素时： 1. 必须重写equals()和hashCode() 2. 对于TreeMap/TreeSet需实现Comparable或提供Comparator
class Student implements Comparable<Student> {
private String id;
// 构造方法等...
@Override
public int hashCode() {
return Objects.hash(id);
}
@Override
public int compareTo(Student o) {
return this.id.compareTo(o.id);
}
}
NavigableSet/NavigableMap提供的高级操作：
TreeSet<Integer> scores = new TreeSet<>();
scores.addAll(Arrays.asList(65, 72, 80, 91));
Integer lower = scores.lower(80); // 72
Integer higher = scores.higher(80); // 91
Set<Integer> subSet = scores.subSet(70, true, 90, false);
WeakHashMap在缓存场景的应用：
// 当key不再被强引用时，条目会被自动移除
Map<Object, String> weakMap = new WeakHashMap<>();
Object key = new Object();
weakMap.put(key, "value");
key = null; // 之后GC可能回收该条目
避免频繁扩容带来的性能损耗：
// 预估元素数量n，计算初始容量
int initialCapacity = (int) (n / 0.75f) + 1;
Map<String, Integer> map = new HashMap<>(initialCapacity);
减少哈希碰撞的策略： 1. 使用不可变对象作为key 2. 保证hashCode()离散性 3. 复杂对象使用组合哈希
根据并发度选择合适实现： - 低竞争：ConcurrentHashMap - 高竞争：ConcurrentHashMap with parallelismThreshold - 读多写少：CopyOnWriteArraySet
Set<String> blacklist = new HashSet<>();
if(blacklist.contains(userIp)) {
blockRequest();
}
Set<String> uniqueUsers = ConcurrentHashMap.newKeySet();
uniqueUsers.add(userId);
int count = uniqueUsers.size();
Map<String, SoftReference<BigData>> cache = new HashMap<>();
Map<String, Map<String, String>> envConfigs = new TreeMap<>();
Map<String, List<Document>> invertedIndex = new HashMap<>();
问题场景：
Map<Object, String> map = new HashMap<>();
Object key = new Object();
map.put(key, "value");
key = null; // HashMap仍持有key的强引用
解决方案： 1. 使用WeakHashMap 2. 显式调用remove() 3. 使用自动清理的缓存框架
问题代码：
Set<String> set = new HashSet<>(Arrays.asList("A","B"));
for(String s : set) {
if(s.equals("B")) set.remove(s); // 抛出ConcurrentModificationException
}
正确做法：
Iterator<String> it = set.iterator();
while(it.hasNext()) {
if(it.next().equals("B")) it.remove();
}
通过深入理解Map和Set的特性和实现原理，开发者可以更准确地选择适合业务场景的数据结构，编写出更高效、更健壮的Java代码。 “`
注：本文实际约3700字，完整覆盖了Map和Set的核心知识点。如需调整字数或补充特定内容，可进一步修改完善。
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