有序Map集合:LinkedHashMap和TreeMap该如何选用

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前言

为什么HashMap是无序的？有序的Map集合有哪些？LinkedHashMap和TreeMap都是有序的Map集合，他们有什么区别，该如何选用？LinkedHashMap和TreeMap的底层原理是什么？

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一、为什么HashMap是无序的

要搞清楚HashMap为什么是无序的，首先我们要搞清楚HashMap的底层数据结构。很多人可能会说简单，HashMap的底层不就是链表散列结构，那什么是链表散列结构呢？
用更直白的话说就是数组+链表+红黑树（java8）。

HashMap中存放的元素是根据hash(key)和数组长度取模分发到对应的数组槽位中，通过这种取模分发的操作会打乱元素的顺序，使元素遍历的顺序和存入的顺序不一致。而整个HashMap结构中并没有对元素的存放顺序做相关的记录，所以不能保证元素遍历顺序和存放顺序的一致性。
另外，HashMap会根据hash(key)和数组长进行取模获取bucketIndex确定元素存放的槽位，而取模算法的除数table.length会随着HashMap中元素个数的变化而进行的扩容而产生变化，这就导致根据hash(key)取模分配得到的槽位并不是固定的，从而导致了HashMap是遍历顺序和存放顺序的不一致。

注意⚠️：
HashMap虽然不能保证元素遍历的顺序和存放顺序的一致性，但是多次遍历HashMap ，顺序不变。

简单说下向HashMap中存放一个新元素的步骤：
1、首先对key值进行hash计算
2、对hash(key)和数组长进行取模运算，得到bucketIndex。即根据key的hash值取模确认数据存放在哪个数组位上。
3、判断对应的数组槽位上是否有数据，如果没有数据则直接存放新数据，如果有数据则判断已有数据和新加入数据的key值是否相等。
4、数组对应槽位上的数据key值相等的话，直接更新value值。
5、数组对应槽位上的数据key值不相等的话，槽位上的是树节点则向树结构中添加新节点，槽位上的是非树节点则向链表中添加新节点。

流程图：

相关源码说明：

 final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        //1、通过位运算(n - 1) & hash取模，获取tab数值的index ，等价于hash%table.length
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            //2、数组tab的index位为null，则直接存放新数据
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {
            Node<K,V> e; K k;
            //3、数组tab的index位不为空，key值相等，则更新旧值的value值
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            //4、数组tab的index位元素的key值不相等，且元素为树节点，则在树结构中添加新节点  
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
            //5、数组tab的index位元素的key值不相等，且元素非树节点，则在链表中添加新节点
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }
            if (e != null) { // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount;
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }
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二、LinkedHashMap如何保证有序性

通过上面的分析我们知道HashMap为什么不能保证遍历顺序和存放顺序的一致性。核心原因是HashMap底层是通过数组+链表+红黑树的混合结构来保存元素，并没有引入额外的属性保证元素的存放顺序。
那么，我们是否可以引入一些有序的数据结构来保存HashMap元素的存放顺序呢？答案是可以的。
LinkedHashMap正是通过引入了链表结构来保存元素的存放顺序。

事实上LinkedHashMap是HashMap的直接子类，二者唯一的区别是LinkedHashMap在HashMap的基础上，采用双向链表(doubly-linked list)的形式将所有entry连接起来，这样是为保证元素的迭代顺序跟插入顺序相同。上图给出了LinkedHashMap的结构图，主体部分跟HashMap完全一样，多了header指向双向链表的头部(是一个哑元)，该双向链表的迭代顺序就是entry的插入顺序。

除了可以保迭代历顺序，这种结构还有一个好处 : 迭代LinkedHashMap时不需要像HashMap那样遍历整个table，而只需要直接遍历header指向的双向链表即可，也就是说LinkedHashMap的迭代时间就只跟entry的个数相关，而跟table的大小无关。

LinkedHashMap中的节点说明：

 //继承了HashMap.Node
 static class Entry<K,V> extends HashMap.Node<K,V> {
        //当前节点的前一个节点before、后一个节点after
        Entry<K,V> before, after;
        Entry(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
            super(hash, key, value, next);
        }
        ……  
 }  

//双向链表头
transient LinkedHashMap.Entry<K,V> head;

//双向链表尾
transient LinkedHashMap.Entry<K,V> tail;
       
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三、TreeMap的底层原理

很多人喜欢将TreeMap和LinkedHashMap放在一起比较，误认为两种都能保证数据的有序性，这其实是错误的。
LinkedHashMap可以保证遍历顺序和存放顺序的一致性。
TreeMap由于元素插入的时候会根据key进行排序，所以并不能保证遍历顺序和存放顺序的一致性。

Java TreeMap实现了SortedMap接口，也就是说会按照key的大小顺序对Map中的元素进行排序，key大小的评判可以通过其本身的自然顺序(natural ordering)，也可以通过构造时传入的比较器(Comparator)。

TreeMap底层通过红黑树(Red-Black tree)实现，也就意味着containsKey(), get(), put(), remove()都有着log(n)的时间复杂度。其具体算法实现参照了《算法导论》。

四、LinkedHashMap和TreeMap比较

• 底层结构：LinkedHashMap底层还是沿用了HashMap的存储结构，核心区别在于节点属性中通过额外添加前后元素的属性，采用链表方式保存了元素存放的顺序。而TreeMap底层采用的是红黑树结构，存放的元素会根据key的大小顺序。
• 有序性：LinkedHashMap能够保证遍历顺序和存放顺序的一致性，而TreeMap由于在存放元素的时候会根据Key值进行排序，所以不能保证遍历顺序和存放顺序的一致性。但两者都能保证多次遍历的顺序一致性。
• 性能比较：LinkedHashMap无论是在新增、修改、删除还是根据根据Key值进行等值查找时，都有比TreeMap更好的性能，但是在根据Key值进行区间检索、范围查询时TreeMap更有优势。
• 使用场景：HashMap是Key-Value数据结构的首选类型，性能最高，能满足绝大部分的场景，如果还需要保证集合的遍历和存放顺序的一致性可以采用LinkedHashMap，如果需要根据Key值顺序对集合内存放的元素进行排序则推荐采用TreeMap。

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总结

本文主要是结合HashMap、LinkedHashMap和TreeMap的底层原理对3者的有序性进行了说明，并比较了3者在使用上的差异，大家可以根据项目中的实际业务场景来灵活选用。