面试题：Java Map接口的常见实现类中，从源码角度分析HashMap和TreeMap在处理键值对存储时设计理念的差异

Question

从Java Map接口源码设计理念出发，深入分析HashMap和TreeMap在处理键值对存储、排序（如果有）、性能优化等方面，各自采用了哪些不同的设计思路和数据结构。

Answer 1

键值对存储

• HashMap：
  • 基于哈希表实现，使用数组（桶）和链表（JDK 1.7 及之前）或红黑树（JDK 1.8 及之后）组合的数据结构。通过对键的哈希值进行计算，确定键值对在数组中的存储位置。
  • 当哈希冲突发生时（不同键计算出相同的哈希值），JDK 1.7 及之前采用链表将冲突的键值对链接起来；JDK 1.8 及之后，当链表长度超过阈值（默认为 8）时，链表会转换为红黑树，以提高查找性能。
• TreeMap：
  • 基于红黑树实现，红黑树是一种自平衡的二叉搜索树。每个节点包含键值对，按照键的自然顺序（实现Comparable接口）或自定义比较器（传入Comparator）的顺序进行存储。

排序

• HashMap：
  • 没有对键值对进行排序，其遍历顺序是不确定的，只保证相同哈希值的键值对在冲突链（链表或红黑树）中的相对顺序。
• TreeMap：
  • 按照键的顺序对键值对进行排序。可以是键的自然顺序（如果键实现了Comparable接口），也可以通过构造函数传入Comparator来指定排序规则。

性能优化

• HashMap：
  • 插入性能：在理想情况下（哈希分布均匀，无冲突），插入操作的时间复杂度接近 O(1)。但在哈希冲突严重时，时间复杂度会退化为 O(n)，不过 JDK 1.8 引入红黑树优化了这种情况，当链表长度过长转换为红黑树后，插入操作时间复杂度为 O(log n)。
  • 查找性能：与插入类似，理想情况下时间复杂度为 O(1)，冲突严重时，链表结构下为 O(n)，红黑树结构下为 O(log n)。
  • 扩容机制：当哈希表中元素数量达到负载因子（默认为 0.75）与容量的乘积时，会进行扩容。扩容时会重新计算键的哈希值并重新分配到新的数组位置，这一过程比较耗时，所以尽量在初始化时预估好数据量，减少扩容次数。
• TreeMap：
  • 插入性能：由于红黑树需要维持平衡，插入操作时间复杂度为 O(log n)，相比理想情况下的 HashMap 插入性能略低。
  • 查找性能：查找操作时间复杂度为 O(log n)，同样由于红黑树的平衡特性，查找性能相对稳定，不受数据分布影响。
  • 无需扩容：因为红黑树结构的灵活性，TreeMap 不需要像 HashMap 那样进行扩容操作。