9. 컬렉션 프레임워크 - Map, Stack, Queue

컬렉션 프레임워크 - Map 소개1

Map 은 키-값의 쌍을 저장하는 자료 구조이다.

• 키는 맵 내에서 유일해야 한다. 그리고 키를 통해 값을 빠르게 검색할 수 있다.

• 키는 중복될 수 없지만, 값은 중복될 수 있다.

• Map 은 순서를 유지하지 않는다.

자바는 HashMap, TreeMap, LinkedHashMap 등 다양한 Map 구현체를 제공한다. 이들은 Map 인터페이스의 메서드를 구현하며, 각기 다른 특성과 성능 특징을 가지고 있다.

이 중에 HashMap 을 가장 많이 사용하며, 자세한 예제는 아래와 같다.

package collection.map;

import java.util.Collection;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.Set;

public class MapMain1 {

    public static void main(String[] args) {
        Map<String, Integer> studentMap = new HashMap<>();

        studentMap.put("studentA", 90);
        studentMap.put("studentB", 80);
        studentMap.put("studentC", 80);
        studentMap.put("studentD", 100);
        System.out.println("studentMap = " + studentMap);

        Integer result = studentMap.get("studentD");
        System.out.println("result = " + result);

        System.out.println("==KeySet 활용==");
        Set<String> keySet = studentMap.keySet();
        for (String key : keySet) {
            Integer value = studentMap.get(key);
            System.out.println("key = " + key + ", value = " + value);
        }

        System.out.println("==entrySet 활용==");
        Set<Map.Entry<String, Integer>> entries = studentMap.entrySet();
        for (Map.Entry<String, Integer> entry : entries) {
            String key = entry.getKey();
            Integer value = entry.getValue();
            System.out.println("key = " + key + ", value = " + value);
        }

        System.out.println("==values 활용==");
        Collection<Integer> values = studentMap.values();
        for (Integer value : values) {
            System.out.println("value = " + value);
        }
    }
}

키 목록 조회

Set<String> keySet = studentMap.keySet()

Map 의 키는 중복을 허용하지 않는다. 따라서 Map 의 모든 키 목록을 조회하는 keySet() 을 호출하면, 중복을 허용하지 않는 자료 구조인 Set 을 반환한다.

키와 값 목록 조회 (Entry Key-Value Pair)

Map은 키와 값을 보관하는 자료구조이다. 따라서 키와 값을 하나로 묶을 수 있는 방법이 필요하다. 이때 Entry를 사용한다.

Entry 는 키-값의 쌍으로 이루어진 간단한 객체이다. Entiry 는 Map 내부에서 키와 값을 함께 묶어서 저장할 때 사용한다.

쉽게 이야기해서 우리가 Map에 키와 값으로 데이터를 저장하면 Map은 내부에서 키와 값을 하나로 묶는 Entry 객체 를 만들어서 보관한다. 참고로 하나의 Map 에 여러 Entry 가 저장될 수 있다.

참고로 Entry 는 Map 내부에 있는 인터페이스이다. 우리는 구현체보다는 이 인터페이스를 사용하면 된다.

값 목록 조회

Collection<Integer> values = studentMap.values()

Map의 값 목록은 중복을 허용한다. 따라서 중복을 허용하지 않는 Set으로 반환할 수는 없다. 그리고 입력 순서를 보장하지 않기 때문에 순서를 보장하는 List로 반환하기도 애매하다.

따라서 단순히 값의 모음이라는 의미의 상위 인터 페이스인 Collection 으로 반환한다.

컬렉션 프레임워크 - Map 소개2

package collection.map;

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class MapMain2 {

    public static void main(String[] args) {
        Map<String, Integer> studentMap = new HashMap<>();

        studentMap.put("studentA", 90);
        System.out.println("studentMap = " + studentMap);

        // 같은 키에 저장시 기존 값 교체
        studentMap.put("studentA", 100);
        System.out.println("studentMap = " + studentMap);

        boolean containsKey = studentMap.containsKey("studentA");
        System.out.println("containsKey = " + containsKey);

        studentMap.remove("studentA");
        System.out.println("studentMap = " + studentMap);
    }
}

package collection.map;

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.Set;

public class MapMain3 {

    public static void main(String[] args) {
        Map<String, Integer> studentMap = new HashMap<>();

        studentMap.put("studentA", 50);
        System.out.println(studentMap);

        if (!studentMap.containsKey("studentA")) {
            studentMap.put("studentA", 100);
        }
        System.out.println(studentMap);

        studentMap.putIfAbsent("studentA", 100);
        studentMap.putIfAbsent("studentB", 100);
        System.out.println(studentMap);
    }
}

컬렉션 프레임워크 - Map 구현체

자바의 Map 인터페이스는 키-값 쌍을 저장하는 자료 구조이다. Map은 인터페이스이기 때문에, 직접 인스턴스를 생성 할 수는 없고, 대신 Map 인터페이스를 구현한 여러 클래스를 통해 사용할 수 있다.

대표적으로 HashMap, TreeMap, LinkedHashMap이 있다.

Map vs Set

그런데 Map을 어디서 많이 본 것 같지 않은가? Map의 키는 중복을 허용하지 않고, 순서를 보장하지 않는다.

Map 의 키가 바로 Set 과 같은 구조이다. 그리고 Map 은 모든 것이 Key 를 중심으로 동작한다.Value 는 단순히 Key 옆에 따라 붙은 것 뿐이다. Key 옆에 Value 만 하나 추가해주면 Map 이 되는 것이다.

Map 과 Set 은 거의 같다. 단지 옆에 Value 를 가지고 있는가 없는가의 차이가 있을 뿐이다.

참고 : 실제로 자바 HashSet 의 구현은 대부분 HashMap 의 구현을 가져다 사용한다. Map 에서 Value 만 비워두면 Set 으로 사용할 수 있다.

1. HashMap

• 구조: HashMap 은 해시를 사용해서 요소를 저장한다. 키( Key ) 값은 해시 함수를 통해 해시 코드로 변환되고, 이 해시 코드는 데이터를 저장하고 검색하는 데 사용된다.

• 특징: 삽입, 삭제, 검색 작업은 해시 자료 구조를 사용하므로 일반적으로 상수 시간( O(1) )의 복잡도를 가진다.

• 순서: 순서를 보장하지 않는다.

2. LinkedHashMap

• 구조: LinkedHashMap은 HashMap과 유사하지만, 연결 리스트를 사용하여 삽입 순서 또는 최근 접근 순서에 따라 요소를 유지한다.

• 특징: 입력 순서에 따라 순회가 가능하다. HashMap 과 같지만 입력 순서를 링크로 유지해야 하므로 조금 더 무겁다.

• 성능: HashMap 과 유사하게 대부분의 작업은 O(1)의 시간 복잡도를 가진다.

• 순서: 입력 순서를 보장한다.

3. TreeMap

• 구조: TreeMap 은 레드-블랙 트리를 기반으로 한 구현이다.

• 특징: 모든 키는 자연 순서 또는 생성자에 제공된 Comparator 에 의해 정렬된다.

• 성능: get , put , remove 와 같은 주요 작업들은 O(log n) 의 시간 복잡도를 가진다.

• 순서: 키는 정렬된 순서로 저장된다.

package collection.map;

import java.util.*;

public class JavaMapMain {

    public static void main(String[] args) {
        run(new HashMap<>());
        run(new LinkedHashMap<>());
        run(new TreeMap<>());
    }

    private static void run(Map<String, Integer> map) {
        System.out.println("map = " + map.getClass());
        map.put("C", 10);
        map.put("B", 20);
        map.put("A", 30);
        map.put("1", 40);
        map.put("2", 50);

        Set<String> keySet = map.keySet();
        Iterator<String> iterator = keySet.iterator();
        while (iterator.hasNext()) {
            String key = iterator.next();
            System.out.print(key + " = " + map.get(key) + " ");
        }
        System.out.println();
    }
}

실행 결과

• HashMap: 입력한 순서를 보장하지 않는다.

• LinkedHashMap: 키를 기준으로 입력한 순서를 보장한다.

• TreeMap : 키 자체의 데이터 값을 기준으로 정렬한다.

자바 HashMap 작동 원리

자바의 HashMap은 HashSet과 작동 원리가 같다.

Set 과 비교하면 다음과 같은 차이가 있다.

• Key를 사용해서 해시 코드를 생성한다.

• Key뿐만 아니라 값( Value )을 추가로 저장해야 하기 때문에 Entry 를 사용해서 Key, Value 를 하나로 묶어서 저장한다.

때문에 Map 의 Key 로 사용되는 객체는 hashCode() , equals() 를 반드시 구현해야 한다.

Deque 자료 구조

"Deque"는 "Double Ended Queue"의 약자로, 이 이름에서 알 수 있듯이, Deque는 양쪽 끝에서 요소를 추가하거나 제거할 수 있다. Deque는 일반적인 큐(Queue)와 스택(Stack)의 기능을 모두 포함하고 있어, 매우 유연한 자료 구조이다.

데크, 덱 등으로 부른다.

Deque 구현체와 성능 테스트

Deque의 대표적인 구현체는 ArrayDeque, LinkedList 가 있다. 이 둘 중에 ArrayDeque가 모든 면에서 더 빠르다.

둘의 차이는 ArrayList vs LinkedList의 차이와 비슷한데, 작동 원리가 하나는 배열을 하나는 동적 노드 링크를 사용하기 때문이다.

ArrayDeque는 추가로 특별한 원형 큐 자료 구조를 사용하는데, 덕분에 앞, 뒤 입력 모두 O(1)의 성능을 제공한다. 물론 LinkedList도 앞 뒤 입력 모두 O(1)의 성능을 제공한다. 이론적으로 LinkedList가 삽입 삭제가 자주 발생할 때 더 효율적일 수 있지만, 현대 컴퓨터 시스템의 메모리 접근 패턴, CPU 캐시 최적화 등을 고려할 때 배열을 사용하는 ArrayDeque가 실제 사용 환경에서 더 나은 성능을 보여주는 경우가 많다.