从根到叶：深入了解Map和Set

快来打我* 2024-04-26 01:38 154阅读 0赞

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窗间映出一片高远的天空，

向晚的天际宁静而又清明。

我孤独的心灵在幸福地哭泣，

它在为天空如此美好而高兴。

恬静的晚霞一片火红，

晚霞灼烧着我的热情。

此刻的世界没有别人，

只有上帝，我和天空。

——（俄）吉皮乌斯《瞬间》

![8c5a6b56ab0e405a85454102d7ca2ab5.png][]

### 一.概念及场景 ###

Map和Set是两种常见的数据结构，用于在编程中组织和存储数据。它们通常在不同的场景中使用，具有不同的特点和用途。

**1.Map（映射）是一种将键（key）与值（value）相关联的数据结构。它提供了一种通过键快速查找值的方式。在Map中，每个键是唯一的，而值可以重复。**

**Map的场景**：

*  **数据索引和快速查找**：Map允许通过键快速查找对应的值，因此在需要高效的数据检索和索引的场景中经常使用。例如，将学生的学号与其成绩关联起来，可以通过学号快速查找对应的成绩。
 *  **数据去重**：由于Map中的键是唯一的，可以利用这个特性进行数据的去重操作。例如，可以使用Map来统计一段文本中不同单词的出现次数，只保留每个单词的一个实例。

**2.Set（集合）是一种存储独特元素的数据结构，其中每个元素都是唯一的。Set通常用于判断元素是否存在，而不关心元素的顺序。Set的实现通常基于哈希表或树结构。**

**Set的场景**：

*  **数据去重**：由于Set中的元素是唯一的，可以使用Set来去除重复的数据。例如，从一个数组中去除重复的元素，可以通过将数组元素添加到Set中来实现。
 *  **成员关系判断**：Set提供了高效的成员关系判断操作。例如，可以使用Set来判断一个元素是否属于某个特定集合。

**相关模型**：

一般把搜索的数据称为关键字（Key），和关键字对应的称为值（Value），将其称之为Key-value的键值对，所以模型会有两种：

1.  **纯**  **key**  **模型**

*  比如： 有一个英文词典，快速查找一个单词是否在词典中快速查找某个名字在不在通讯录中

2.  **Key-Value**  **模型**

*  比如： 统计文件中每个单词出现的次数，统计结果是每个单词都有与其对应的次数：<单词，单词出现的次数> 
 *  梁山好汉的江湖绰号：每个好汉都有自己的江湖绰号

而 **Map** **中存储的就是** **key-value** **的键值对，** **Set** **中只存储了** **Key** 。

**总结**：  
Map适用于需要将键与值相关联的场景，提供了快速的查找和索引功能。Set适用于存储唯一元素的场景，并提供了高效的成员关系判断。两者都在去重操作中有应用，但在其他的具体应用场景中，选择使用Map还是Set取决于具体的需求和数据结构的特点。

### 二.Map的说明及使用 ###

#### 2.1关于Map说明 ####

如图所示：

![000bdafe084e4a7ebf3a21e1b8bd2897.png][]

**Map** **是一个接口类，该类没有继承自** **Collection** **，该类中存储的是** **<K,V>** **结构的键值对，并且** **K** **一定是唯一的，不** **能重复** 。

**Map的特点和操作**：

1.  键-值对：Map中的数据以键-值对的形式进行存储。每个键都与一个特定的值相关联。
2.  唯一键：Map中的键是唯一的，不允许重复。当尝试添加一个已经存在的键时，新的值会覆盖旧的值。
3.  快速查找：Map提供了快速的查找功能，可以通过键来获取对应的值。这使得Map在需要高效的数据检索和索引的场景中非常有用。
4.  增加和删除元素：可以向Map中添加新的键-值对，也可以删除已有的键-值对。
5.  迭代：Map可以进行迭代操作，以便对其中的键-值对进行遍历和处理。

Map的常用方法说明：

![e1ceb542d7e64c27a7686a4a17725c1b.png][]

#### 2.2HashMap和TreeMap ####

HashMap和TreeMap是两种常见的Map实现，它们在底层数据结构和性能特点上有所区别。

**HashMap：**

*  底层数据结构：HashMap使用哈希表（Hash Table）作为底层数据结构，通过哈希函数将键映射到数组索引位置。
 *  键的存储顺序：HashMap中的键是无序存储的，即键的顺序不受插入顺序的影响。
 *  时间复杂度：平均情况下，HashMap提供常数时间复杂度（O(1)）的查找、插入和删除操作。
 *  适用场景：HashMap适用于需要快速查找、插入和删除键值对，并不关心顺序的场景。它在大多数情况下具有较高的性能。

**HashMap的使用：**

代码案例：

import java.util.HashMap;
    
    public class HashMapExample {
        public static void main(String[] args) {
            // 创建HashMap实例
            HashMap<String, Integer> hashMap = new HashMap<>();
    
            // 插入键值对
            hashMap.put("apple", 10);
            hashMap.put("banana", 5);
            hashMap.put("orange", 8);
            hashMap.put("grapes", 15);
            hashMap.put("kiwi", 20);
            hashMap.put("mango", 12);
    
            // 获取值
            int appleCount = hashMap.get("apple");
            System.out.println("Number of apples: " + appleCount);
    
            // 检查键是否存在
            boolean containsKey = hashMap.containsKey("banana");
            System.out.println("Contains banana: " + containsKey);
    
            // 删除键值对
            hashMap.remove("orange");
    
            // 迭代键值对
            for (String key : hashMap.keySet()) {
                int value = hashMap.get(key);
                System.out.println(key + ": " + value);
            }
        }
    }

运行如下：

![f0a2f02848a64cd09d1e1a40377d858c.png][]

**TreeMap**：

*  底层数据结构：TreeMap使用红黑树（Red-Black Tree）作为底层数据结构，保持键的有序性。
 *  键的存储顺序：TreeMap中的键是按照键的自然顺序或自定义的比较器顺序进行排序的。
 *  时间复杂度：TreeMap提供O(log n)的时间复杂度的查找、插入和删除操作，其中n是键值对的数量。
 *  适用场景：TreeMap适用于需要按照键的顺序进行遍历和检索的场景。它可以用于范围查询，例如，查找最小键、最大键以及在两个键之间的键值对。

**TreeMap的使用：**

import java.util.TreeMap;
    
    public class TreeMapExample {
        public static void main(String[] args) {
            // 创建TreeMap实例
            TreeMap<String, Integer> treeMap = new TreeMap<>();
    
            // 插入键值对
            treeMap.put("apple", 10);
            treeMap.put("banana", 5);
            treeMap.put("orange", 8);
            treeMap.put("grapes", 15);
            treeMap.put("kiwi", 20);
            treeMap.put("mango", 12);
    
            // 获取值
            int appleCount = treeMap.get("apple");
            System.out.println("Number of apples: " + appleCount);
    
            // 检查键是否存在
            boolean containsKey = treeMap.containsKey("banana");
            System.out.println("Contains banana: " + containsKey);
    
            // 删除键值对
            treeMap.remove("orange");
    
            // 迭代键值对
            for (String key : treeMap.keySet()) {
                int value = treeMap.get(key);
                System.out.println(key + ": " + value);
            }
        }
    }

运行如下：

![3058921270354405b6cbd94d948a3524.png][]

**HashMap和TreeMap的区别：**

**底层数据结构：**

*  HashMap使用哈希表（数组+链表/红黑树）实现，通过哈希函数将键映射到数组索引位置，解决哈希冲突使用链表或红黑树。
 *  TreeMap使用红黑树实现，保持键的有序性，每个节点都遵循二叉搜索树的性质。

**插入和查找操作性能：**

*  HashMap的插入和查找操作的平均时间复杂度为O(1)，即常数时间复杂度。但在发生哈希冲突时，性能可能会下降，需要通过链表或红黑树进行顺序查找，最坏情况下的时间复杂度为O(n)。
 *  TreeMap的插入和查找操作的时间复杂度为O(log n)，其中n是元素的数量。由于使用红黑树作为底层数据结构，保持有序性，因此查找操作更加高效。

**排序特性：**

*  HashMap不保持键的有序性，键的顺序是不确定的。
 *  TreeMap根据键的自然顺序或自定义比较器对键进行排序，提供有序的键值对遍历。

**存储空间：**

*  HashMap在内部使用数组来存储键值对，不保证顺序，因此通常占用较少的存储空间。
 *  TreeMap使用红黑树作为底层数据结构，保持键的有序性，因而在存储大量数据时占用的存储空间通常会更多。

参考下图：

![2ab2b62366784c90991342a516fb09f9.png][]

#### 2.3关于**于****Map.Entry<K, V>****的说明** ####

**Map.Entry<K, V>**  **是** **Map** **内部实现的用来存放** **<key, value>** **键值对映射关系的内部类** ，该内部类中主要提供了<key, value>的获取， value 的设置以及 Key 的比较方式。

**提供方法：**

![27e47370cffb41ada87767da87468743.png][]

**代码案例:**

import java.util.HashMap;
    import java.util.Map;
    
    public class MapExample {
        public static void main(String[] args) {
            // 创建一个HashMap实例
            Map<String, Integer> map = new HashMap<>();
    
            // 添加键值对到Map中
            map.put("apple", 10);
            map.put("banana", 5);
            map.put("orange", 8);
    
            // 遍历Map中的条目
            for (Map.Entry<String, Integer> entry : map.entrySet()) {
                String key = entry.getKey();
                Integer value = entry.getValue();
                System.out.println("Key: " + key + ", Value: " + value);
            }
    
            // 获取指定键的值
            int appleCount = map.get("apple");
            System.out.println("Number of apples: " + appleCount);
    
            // 使用setValue()方法更新值
            int newBananaCount = 7;
            map.entrySet().stream()
                    .filter(entry -> entry.getKey().equals("banana"))
                    .findFirst()
                    .ifPresent(entry -> entry.setValue(newBananaCount));
    
            // 输出更新后的值
            int updatedBananaCount = map.get("banana");
            System.out.println("Updated number of bananas: " + updatedBananaCount);
        }
    }

运行如下：

![e0017c35c4834c7a8cb7f4f591371345.png][]

**注意** **：** **Map.Entry<K,V>** **并没有提供设置** **Key** **的方法**

### 三.Set的说明及使用 ###

#### 3.1关于Set说明 ####

**Set与Map主要的不同有两点：Set是继承自Collection的接口类，Set中只存储了Key。**

![3315419621844d1b869caeb62b347e21.png][]

**Set的特点和操作：**

1.  唯一性：Set中的元素是唯一的，不会出现重复的元素。如果尝试将重复的元素添加到Set中，它将被忽略。
2.  无序性：Set中的元素没有特定的顺序。这意味着你不能通过索引来访问Set中的元素。如果需要按特定顺序遍历元素，可以将Set转换为列表或使用其他有序数据结构。
3.  可变性：Set是可变的，可以添加或删除元素。可以通过添加新元素或删除现有元素来修改Set。
4.  高效性：Set提供了高效的成员检查操作。由于Set使用了哈希表或类似的数据结构来实现，它可以在平均情况下以常量时间复杂度（O(1)）执行插入、删除和查找操作。
5.  迭代性：Set支持迭代操作，可以使用循环遍历Set中的所有元素。
6.  数学集合操作：Set还支持常见的数学集合操作，例如并集、交集和差集。这些操作使得可以对Set进行合并、比较和筛选等操作。

**Set常用方法说明：**

![0aa81a0328b64b11a83de73210c266e8.png][]

**注意：**

*   **Set是继承自Collection的一个接口类** 
 *   **Set中只存储了key，并且要求key一定要唯一** 
 *   **TreeSet的底层是使用Map来实现的，其使用key与Object的一个默认对象作为键值对插入到Map中**
 *  **Set最大的功能就是对集合中的元素进行去重** 
 *  **实现Set接口的常用类有TreeSet和HashSet，还有一个LinkedHashSet，LinkedHashSet是在HashSet的基础上维护了一个双向链表来记录元素的插入次序。** 
 *  **Set中的Key不能修改，如果要修改，先将原来的删除掉，然后再重新插入** 
 *  **TreeSet中不能插入null的key，HashSet可以**

#### 3.2TreeSet和HashSet ####

**HashSet：**

*  唯一性：HashSet中的元素是唯一的，不会存在重复元素。如果尝试将重复的元素添加到HashSet中，它将被忽略。
 *  无序性：HashSet中的元素没有特定的顺序。元素在HashSet中的存储位置是根据元素的哈希码计算得出的，并不与插入顺序或值的大小相关。
 *  元素存储：HashSet使用哈希表（Hash Table）来存储元素。哈希表通过哈希函数将元素的值映射到桶（bucket）中。每个桶可以包含一个或多个元素。通过哈希函数和桶的结构，HashSet实现了高效的插入、删除和查找操作。
 *  性能：HashSet的插入、删除和查找操作的平均时间复杂度是常数时间复杂度（O(1)），在大多数情况下具有很高的性能。但是，在某些情况下，由于哈希冲突（多个元素映射到同一个桶），性能可能会下降，导致操作的时间复杂度变为O(n)。
 *  迭代性：HashSet支持迭代操作，可以使用增强的for循环或迭代器来遍历HashSet中的所有元素。但是，由于HashSet是无序的，迭代顺序不可预测。
 *  对象比较：为了正确地判断元素的相等性，HashSet要求元素类正确实现`equals()`和`hashCode()`方法。`equals()`方法用于比较两个元素的内容是否相等，而`hashCode()`方法用于计算元素的哈希码，以确定元素在哈希表中的存储位置。

import java.util.HashSet;
    import java.util.Set;
    
    public class HashSetExample {
        public static void main(String[] args) {
            // 创建一个HashSet实例
            Set<String> set = new HashSet<>();
    
            // 添加元素到HashSet
            set.add("apple");
            set.add("banana");
            set.add("orange");
    
            // 输出HashSet的大小
            System.out.println("HashSet size: " + set.size());
    
            // 检查元素是否存在
            boolean containsOrange = set.contains("orange");
            System.out.println("Set contains 'orange': " + containsOrange);
    
            // 移除元素
            set.remove("banana");
    
            // 遍历HashSet中的元素
            System.out.println("HashSet elements:");
            for (String element : set) {
                System.out.println(element);
            }
    
            // 清空HashSet
            set.clear();
    
            // 检查HashSet是否为空
            boolean isEmpty = set.isEmpty();
            System.out.println("HashSet is empty: " + isEmpty);
        }
    }

运行如下：

![4b4b5315bf42471fb152aa496aacd095.png][]

**TreeSet：**

*  唯一性：TreeSet中的元素是唯一的，不会存在重复元素。如果尝试将重复的元素添加到TreeSet中，它将被忽略。
 *  排序性：TreeSet中的元素是有序的，根据元素的自然排序或指定的比较器排序。默认情况下，元素被按升序排序。
 *  元素存储：TreeSet使用红黑树数据结构进行存储。红黑树是一种自平衡的二叉搜索树，它通过保持树的平衡性，提供了高效的插入、删除和查找操作。元素在红黑树中根据其排序顺序进行存储。
 *  性能：TreeSet的插入、删除和查找操作的平均时间复杂度是O(log n)，其中n是TreeSet中的元素数量。由于红黑树的平衡性，这些操作的性能相对稳定，不会受到元素的插入顺序的影响。
 *  迭代性：TreeSet支持迭代操作，可以使用增强的for循环或迭代器来遍历TreeSet中的所有元素。由于TreeSet是有序的，迭代顺序将按照元素的排序顺序进行。
 *  对象比较：为了正确地判断元素的相等性和排序顺序，TreeSet要求元素类实现Comparable接口或提供自定义的比较器。Comparable接口的`compareTo()`方法用于比较两个元素的顺序。

import java.util.TreeSet;
    import java.util.Set;
    
    public class TreeSetExample {
        public static void main(String[] args) {
            // 创建一个TreeSet实例
            Set<String> set = new TreeSet<>();
    
            // 添加元素到TreeSet
            set.add("apple");
            set.add("banana");
            set.add("orange");
    
            // 输出TreeSet的大小
            System.out.println("TreeSet size: " + set.size());
    
            // 检查元素是否存在
            boolean containsOrange = set.contains("orange");
            System.out.println("Set contains 'orange': " + containsOrange);
    
            // 移除元素
            set.remove("banana");
    
            // 遍历TreeSet中的元素
            System.out.println("TreeSet elements:");
            for (String element : set) {
                System.out.println(element);
            }
    
            // 获取最小元素
            String firstElement = ((TreeSet<String>) set).first();
            System.out.println("First element: " + firstElement);
    
            // 获取最大元素
            String lastElement = ((TreeSet<String>) set).last();
            System.out.println("Last element: " + lastElement);
        }
    }

![ffd6e2d716804f6fa4252cfc390ed4a4.png][]

**TreeSet和HashSet的区别：**

![85d42e355b4f4a6dbcb720be76a8f5bb.png][]

结语：Map和Set是Java集合框架中常用的数据结构。Map是一种键值对的数据结构，用于存储和操作具有唯一键和对应值的元素，适用于缓存、数据索引和快速查找等场景。Set是一种无序、不重复元素的集合，用于存储和操作独立的元素，适用于去重和判断元素是否存在的场景。它们提供了高效的操作和查找能力，并有多个实现类可供选择，如HashMap、TreeMap、HashSet和TreeSet等，根据具体需求选择合适的实现类。

![7f41f861070e4d1fb7dc3c8a53db1848.png][]

[8c5a6b56ab0e405a85454102d7ca2ab5.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/26/8f5786db5c564fa0b92733b6b8e097c4.png
[000bdafe084e4a7ebf3a21e1b8bd2897.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/26/8154edfcb2844d64bdd0cadc3aa5e963.png
[e1ceb542d7e64c27a7686a4a17725c1b.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/26/3f747f30b7c2425085b8bfb2c7510fcf.png
[f0a2f02848a64cd09d1e1a40377d858c.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/26/228f34f7a2194187ba5ced03eae9475b.png
[3058921270354405b6cbd94d948a3524.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/26/f03fb7e67a9c4ba488bad633d87fab39.png
[2ab2b62366784c90991342a516fb09f9.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/26/39e4ce3b74ac4e38913a219e7b0c6d24.png
[27e47370cffb41ada87767da87468743.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/26/5e6af134483c4bd998d9ed2a1de6d779.png
[e0017c35c4834c7a8cb7f4f591371345.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/26/b95bb0358e714a7ba814bca3855b3953.png
[3315419621844d1b869caeb62b347e21.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/26/5eb26ffefe2f4d9094ae2377c9bee268.png
[0aa81a0328b64b11a83de73210c266e8.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/26/c517bda0f6dd458aa41d910eb1218bfe.png
[4b4b5315bf42471fb152aa496aacd095.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/26/f73d4c8422b94118ae25b99f0396c582.png
[ffd6e2d716804f6fa4252cfc390ed4a4.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/26/628d6a46472942e3b62ff789fb3fbb3a.png
[85d42e355b4f4a6dbcb720be76a8f5bb.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/26/a8fe49e7cc764aa7b670a09ce44c126c.png
[7f41f861070e4d1fb7dc3c8a53db1848.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/26/3ca56ca93d414f1697877045ae255a87.png