第九章 `Map`接口

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2023-12-01

在接下来的几个练习中，我介绍了Map接口的几个实现。其中一个基于哈希表，这可以说是所发明的最神奇的数据结构。另一个是类似的TreeMap，不是很神奇，但它有附加功能，它可以按顺序迭代元素。

你将有机会实现这些数据结构，然后我们将分析其性能。

但是在我们可以解释哈希表之前，我们将从一个Map开始，它使用键值对的List来简单实现。

9.1 实现`MyLinearMap`

像往常一样，我提供启动代码，你将填写缺少的方法。这是MyLinearMap类定义的起始：

public class MyLinearMap<K, V> implements Map<K, V> {

    private List<Entry> entries = new ArrayList<Entry>();

该类使用两个类型参数，K是键的类型，V是值的类型。MyLinearMap实现Map，这意味着它必须提供Map接口中的方法。

MyLinearMap对象具有单个实例变量，entries，这是一个Entry的ArrayList对象。每个Entry都包含一个键值对。这里是定义：

    public class Entry implements Map.Entry<K, V> {
        private K key;
        private V value;
        
        public Entry(K key, V value) {
            this.key = key;
            this.value = value;
        }
        
        @Override
        public K getKey() {
            return key;
        }
        @Override
        public V getValue() {
            return value;
        }
    }

Entry没有什么，只是一个键和一个值的容器。该定义内嵌在MyLinearList中，因此它使用相同类型的参数，K和V。

这就是你做这个练习所需的所有东西，所以让我们开始吧。

9.2 练习 7

在本书的仓库中，你将找到此练习的源文件：

MyLinearMap.java包含练习的第一部分的起始代码。
MyLinearMapTest.java包含MyLinearMap的单元测试。

你还会找到 Ant 构建文件build.xml。

运行ant build来编译源文件。然后运行ant MyLinearMapTest；几个测试应该失败，因为你有一些任务要做。

首先，填写findEntry的主体。这是一个辅助方法，不是Map接口的一部分，但是一旦你让它工作，你可以在几种方法中使用它。给定一个目标键（Key），它应该搜索条目（Entry）并返回包含目标的条目（按照键，而不是值），或者如果不存在则返回null。请注意，我提供了equals，正确比较两个键并处理null。

你可以再次运行ant MyLinearMapTest，但即使你的findEntry是正确的，测试也不会通过，因为put不完整。

填充put。你应该阅读Map.put的文档，http://thinkdast.com/listput ，以便你知道应该做什么。你可能希望从一个版本开始，其中put始终添加新条目，并且不会修改现有条目；这样你可以先测试简单的情况。或者如果你更加自信，你可以一次写出整个东西。

一旦你put正常工作，测试containsKey应该通过。

阅读Map.get的文档，http://thinkdast.com/listget ，然后填充方法。再次运行测试。

最后，阅读Map.remove的文档，http://thinkdast.com/maprem 并填充方法。

到了这里，所有的测试都应该通过。恭喜！

9.3 分析`MyLinearMap`

这一节中，我展示了上一个练习的答案，并分析核心方法的性能。这里是findEntry和equals。

private Entry findEntry(Object target) {
    for (Entry entry: entries) {
        if (equals(target, entry.getKey())) {
            return entry;
        }
    }
    return null;
}

private boolean equals(Object target, Object obj) {
    if (target == null) {
        return obj == null;
    }
    return target.equals(obj);
}

equals的运行时间可能取决于target键和键的大小，但通常不取决于条目的数量，n。那么equals是常数时间。

在findEntry中，我们可能会很幸运，并在一开始就找到我们要找的键，但是我们不能指望它。一般来说，我们要搜索的条目数量与n成正比，所以findEntry是线性的。

大部分的MyLinearMap核心方法使用findEntry，包括put，get，和remove。这就是他们的样子：

public V put(K key, V value) {
    Entry entry = findEntry(key);
    if (entry == null) {
        entries.add(new Entry(key, value));
        return null;
    } else {
        V oldValue = entry.getValue();
        entry.setValue(value);
        return oldValue;
    }
}
public V get(Object key) {
    Entry entry = findEntry(key);
    if (entry == null) {
        return null;
    }
    return entry.getValue();
}
public V remove(Object key) {
    Entry entry = findEntry(key);
    if (entry == null) {
        return null;
    } else {
        V value = entry.getValue();
        entries.remove(entry);
        return value;
    }
}

put调用findEntry之后，其他一切都是常数时间。记住这个entries是一个ArrayList，所以向末尾添加元素平均是常数时间。如果键已经在映射中，我们不需要添加条目，但我们必须调用entry.getValue和entry.setValue，而这些都是常数时间。把它们放在一起，put是线性的。

同样，get也是线性的。

remove稍微复杂一些，因为entries.remove可能需要从一开始或中间删除ArrayList的一个元素，并且需要线性时间。但是没关系：两个线性运算仍然是线性的。

总而言之，核心方法都是线性的，这就是为什么我们将这个实现称为MyLinearMap（嗒嗒！）。

如果我们知道输入的数量很少，这个实现可能会很好，但是我们可以做得更好。实际上，Map所有的核心方法都是常数时间的实现。当你第一次听到这个消息时，可能似乎觉得不可能。实际上我们所说的是，你可以在常数时间内大海捞针，不管海有多大。这是魔法。

我们不是将条目存储在一个大的List中，而是把它们分解成许多短的列表。对于每个键，我们将使用哈希码（在下一节中进行说明）来确定要使用的列表。使用大量的简短列表比仅仅使用一个更快，但正如我将解释的，它不会改变增长级别；核心功能仍然是线性的。但还有一个技巧：如果我们增加列表的数量来限制每个列表的条目数，就会得到一个恒定时间的映射。你会在下一个练习中看到细节，但是首先要了解哈希！

在下一章中，我将介绍一种解决方案，分析Map核心方法的性能，并引入更有效的实现。

第九章 `Map`接口

9.1 实现MyLinearMap

9.2 练习 7

9.3 分析MyLinearMap

9.1 实现`MyLinearMap`

9.3 分析`MyLinearMap`