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Java 集合框架深度解析：Map 體系架構與核心源碼剖析

編輯：Java 綜合教學

Map 體系整體架構

Map架構圖

Java 集合框架中，Map 獨立於 Collection 體系，存儲鍵值對。核心實現類特性對比：

實現類	有序性	線程安全	鍵值為 null	底層結構	典型場景
HashMap	無序	非線程安全	允許 1 個 null key、多個 null value	數組+鏈表/紅黑樹（JDK8）	高頻讀寫、非併發
LinkedHashMap	插入序/訪問序	非線程安全	同 HashMap	雙向鏈表維護順序	LRU 緩存、順序遍歷
TreeMap	鍵自然序/定製序	非線程安全	不允許 null key	紅黑樹	範圍查詢、有序遍歷
Hashtable	無序	同步方法鎖	不允許 null	數組+鏈表	歷史遺留、已被 ConcurrentHashMap 替代
ConcurrentHashMap	無序	分段鎖/CAS+synchronized	不允許 null	數組+鏈表/紅黑樹	高併發讀寫
WeakHashMap	無序	非線程安全	弱引用鍵，GC 時自動清理	數組+鏈表	緩存、監聽器映射
IdentityHashMap	無序	非線程安全	允許 null	線性探測哈希表	引用語義比較（==而非equals）

Map 接口核心契約

public interface Map {
    int size(); boolean isEmpty();
    boolean containsKey(Object key); boolean containsValue(Object value);
    V get(Object key); V put(K key, V value); V remove(Object key);
    void putAll(Map m); void clear();
    Set keySet(); Collection values(); Set> entrySet();
    interface Entry { K getKey(); V getValue(); V setValue(V value); ... }
}

三大視圖集合：keySet()（鍵集合）、values()（值集合）、entrySet()（鍵值對集合，最高效遍歷方式）。

AbstractMap 骨架實現分析

AbstractMap 實現了除 entrySet()、put() 外的所有方法，採用模板方法模式：

size() 委託 entrySet().size()
get(key) 遍歷 entrySet() 比對鍵
putAll(m) 迭代調用 put()（子類必須重寫）
keySet()/values() 返回基於 entrySet() 迭代器的動態視圖
equals()/hashCode() 基於 Entry 集合內容計算，滿足 Map 等值契約
內部提供 SimpleEntry、SimpleImmutableEntry 兩種 Entry 實現，均可序列化

子類只需實現 entrySet() 返回具體 Set，並視需求重寫 put() 即可獲得完整 Map 功能。

SortedMap 與 NavigableMap 進階導航

SortedMap 有序映射

public interface SortedMap extends Map {
    Comparator comparator(); // 返回比較器，null 表示自然序
    SortedMap subMap(K fromKey, K toKey); // [fromKey, toKey)
    SortedMap headMap(K toKey); // [first, toKey)
    SortedMap tailMap(K fromKey); // [fromKey, last]
    K firstKey(); K lastKey();
}

要求所有鍵實現 Comparable 或構造時提供 Comparator，否則拋 ClassCastException。

NavigableMap 導航增強

繼承 SortedMap，新增「鄰近鍵」查詢與「反序視圖」：

精確/模糊查找：lowerEntry(k)（<k）、floorEntry(k)（≤k）、ceilingEntry(k)（≥k）、higherEntry(k)（>k）
首尾獲取：firstEntry()、lastEntry()、pollFirstEntry()（移除並返回）、pollLastEntry()
反序視圖：descendingMap()、descendingKeySet()、navigableKeySet()
區間視圖（含邊界控制）：subMap(from, fromIncl, to, toIncl)、headMap(to, inclusive)、tailMap(from, inclusive)

TreeMap 同時實現 NavigableMap 與 Cloneable、Serializable，是有序映射首選。

Dictionary 歷史遺留類


public abstract class Dictionary {
    public abstract int size(); public abstract boolean isEmpty();
    public abstract Enumeration keys(); // 返回鍵枚舉
    public abstract Enumeration elements(); // 返回值枚舉
    public abstract V get(Object key); public abstract V put(K key, V value);
    public abstract V remove(Object key);
}

Hashtable 繼承 Dictionary 並實現 Map，方法皆 synchronized，枚舉遍歷使用 Enumeration（僅單向、不可移除），已被 Iterator 取代。新代碼勿用。

源碼級關鍵點總結

AbstractMap.put() 默認拋 UnsupportedOperationException，強制子類實現寫入邏輯。
keySet()/values()/entrySet() 返回的集合視圖不支持 add()，entrySet() 迭代器支持 remove()（通過調用 Map.remove）。
equals() 比較邏輯：同類型 Map、size 相等、逐 Entry 比對 value（key 隱含於 Entry 映射關係中）。
hashCode() 為所有 Entry hashCode() 之和，保證 m1.equals(m2) → m1.hashCode()==m2.hashCode()。
toString() 輸出格式 {k1=v1, k2=v2}，自引用顯示 (this Map)。