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微信公眾號：貝塔學(xué)Java

前言

JAVA中的Map主要就是將一個鍵和一個值聯(lián)系起來。雖然JAVA中已經(jīng)提供了很多Map的實現(xiàn)，為了學(xué)習(xí)并掌握常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從本篇開始我將自己實現(xiàn)Map的功能，本篇主要是通過數(shù)組和鏈表兩種方式實現(xiàn)，之后提供二叉樹，紅黑樹，散列表的版本實現(xiàn)。通過自己手寫各個版本的Map實現(xiàn)，掌握每種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，可以在實際的工作中根據(jù)需要選擇適合的Map。

Map API的定義

在開始之前，我們需要先定義出Map的接口定義，后續(xù)的版本都會基于此接口實現(xiàn)

public interface Map<K, V> {
    void put(K key, V value);

    V get(K key);

    void delete(K key);
    
    int size();

    Iterable<K> keys();

    default boolean contains(K key) {
        return get(key) != null;
    }

    default boolean isEmpty() {
        return size() == 0;
    }
}

這個接口是最簡單的一個Map定義，相信這些方法對于java程序員來說不會陌生；

基于鏈表實現(xiàn)Map

1. 基于鏈表實現(xiàn)首先我們需要定義一個Node節(jié)點，表示我們需要存儲的key、vlaue

class Node {
    K key;
    V value;
    Node next;

    public Node(K key, V value, Node next) {
        this.key = key;
        this.value = value;
        this.next = next;
    }

}

2. get方法的實現(xiàn)思路是遍歷鏈表，然后比較每個Node中的key是否相等，如果相等就返回value，否則返回null

@Override
public V get(K key) {
    return searchNode(key).map(node -> node.value).orElse(null);
}

public Optional<Node> searchNode(K key) {
    for (Node node = root; node != null; node = node.next) {
        if (node.key.equals(key)) {
            return Optional.of(node);
        }
    }
    return Optional.empty();
}

3. put方法的實現(xiàn)思路也是遍歷鏈表，然后比較每個Node的key值是否相等，如果相等那么覆蓋掉value，如果未查找到有key相等的node，那么就新建一個Node放到鏈表的開頭

@Override
public void put(K key, V value) {
    Optional<Node> optionalNode = searchNode(key);

    if (optionalNode.isPresent()) {
        optionalNode.get().value = value;
        return;
    }
    this.root = new Node(key, value, root);
}

4. delete方法實現(xiàn)同樣也需要遍歷鏈表，因為我們的是單向鏈表，刪除某個節(jié)點有兩種思路，第一種，在遍歷鏈表的時候記錄下當(dāng)前節(jié)點的上一個節(jié)點，把上一個節(jié)點的next指向當(dāng)前節(jié)點next;第二種，當(dāng)遍歷到需要刪除的節(jié)點時，把需要刪除節(jié)點的next的key、value完全復(fù)制到需要刪除的節(jié)點，把next指針指向next.next，比如：first - > A -> B -> C -> D -> E -> F -> G -> NULL,要刪除 C 節(jié)點，就把D節(jié)點完全復(fù)制到c中，然后C -> E，變相刪除了C

@Override
public void delete(K key) {
// 第一種實現(xiàn)：
//        for (Node node = first, preNode = null; node != null; preNode = node, node = node.next) {
//            if (node.key.equals(key)) {
//                if (Objects.isNull(preNode)) {
//                    first = first.next;
//                } else {
//                    preNode.next = node.next;
//                }
//            }
//        }

// 第二中實現(xiàn):
    for (Node node = first; node != null; node = node.next) {
        if (node.key.equals(key)) {
            Node next = node.next;
            node.key = next.key;
            node.value =next.value;
            node.next = next.next;
        }
    }
}

分析上面基于鏈表實現(xiàn)的map，每次的put、get、delete都需要遍歷整個鏈表，非常的低效，無法處理大量的數(shù)據(jù)，時間復(fù)雜度為O(N)

基于數(shù)組實現(xiàn)Map

基于鏈表的實現(xiàn)非常低效，因為每次操作都需要遍歷鏈表，假如我們的數(shù)據(jù)是有序的，那么查找的時候我們可以使用二分查找法，那么get方法會加快很多

為了體現(xiàn)出我們的Map是有序的，我們需要重新定義一個有序的Map

public interface SortedMap<K extends Comparable<K>, V> extends Map<K, V> {
    int rank(K key);
}

該定義要求key必須實現(xiàn)接口Comparable，rank方法如果key值存在就返回對應(yīng)在數(shù)組中的下標(biāo)，如果不存在就返回小于key鍵的數(shù)量

• 在基于數(shù)組的實現(xiàn)中，我們會定義兩個數(shù)組變量分部存放keys、values；
• rank方法的實現(xiàn)：由于我們整個數(shù)組都是有序的，我們可以二分查找法（可以查看《老哥是時候來復(fù)習(xí)下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法了》），如果存在就返回所在數(shù)組的下表，如果不存在就返回0

@Override
public int rank(K key) {
    int lo = 0, hi = size - 1;
    while (lo <= hi) {
        int mid = (hi - lo) / 2 + lo;
        int compare = key.compareTo(keys[mid]);
        if (compare > 0) {
            lo = mid + 1;
        } else if (compare < 0) {
            hi = mid - 1;
        } else {
            return mid;
        }
    }
    return lo;
}

• get方法實現(xiàn)：基于rank方法，判斷返回的keys[index]與key進(jìn)行比較，如果相等返回values[index]，不相等就返回null

@Override
public V get(K key) {
    int index = this.rank(key);
    if (index < size && key.compareTo(keys[index]) == 0) {
        return values[index];
    }
    return null;
}

• put方法實現(xiàn)：基于rank方法，判斷返回的keys[index]與key進(jìn)行比較，如果相等直接修改values[index]的值，如果不相等表示不存在該key，需要插入并且移動數(shù)組

@Override
public void put(K key, V value) {
    int index = this.rank(key);
    if (index < size && key.compareTo(keys[index]) == 0) {
        values[index] = value;
        return;
    }

    for (int j = size; j > index; j--) {
        this.keys[j] = this.keys[j--];
        this.values[j] = this.values[j--];
    }
    keys[index] = key;
    values[index] = value;
    size++;
}

• delete方法實現(xiàn)：通過rank方法判斷該key是否存在，如果不存在就直接返回，如果存在需要移動數(shù)組

@Override
public void delete(K key) {
    int index = this.rank(key);
    if (Objects.isNull(keys[index]) || key.compareTo(keys[index]) != 0) {
        return;
    }
    for (int j = index; j < size - 1; j++) {
        keys[j] = keys[j + 1];
        values[j] = values[j + 1];
    }
    keys[size - 1] = null;
    values[size - 1] = null;
    size--;
}

基于數(shù)組實現(xiàn)的Map，雖然get方法采用的二分查找法，很快O(logN)，但是在處理大量數(shù)據(jù)的情況下效率依然很低，因為put方法還是太慢；下篇我們將基于二叉樹來實現(xiàn)Map，繼續(xù)改進(jìn)提升效率

文中所有源碼已放入到了github倉庫https://github.com/silently9527/JavaCore

最后（點關(guān)注，不迷路）

文中或許會存在或多或少的不足、錯誤之處，有建議或者意見也非常歡迎大家在評論交流。

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