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Java容器

一、概述

容器主要包括 Collection 和 Map 两种，Collection 存储着对象的集合，而 Map 存储着键值对（两个对象）的映射表。

Collection

|----Collection接口
	|----List接口
		|----ArrayList
		|----Vector
    	|----LinkedList

	|----Set接口
    	|----TreeSet
		|----HashSet
    	|----LinkedHashSet
    
    |----Queue接口
    	|----LinkedList
    	|----PriorityQueue
  1. List
    • ArrayList：基于动态数组实现，支持随机访问
    • Vector：和ArrayList类似，但它是线程安全的
    • LinkedList：基于双向链表实现，只能顺序访问，但可以快速的在链表中插入和删除元素。
  2. Set
    • TreeSet：基于红黑树实现，支持有序性操作。(例如根据一个范围查找元素的操作。但是效率不如HashSet，HashSet查找的时间复杂度为O(1)，TreeSet则为O(logN))。
    • HashSet：基于哈希表实现，支持快速查找，但不支持有序性操作。并且失去了元素的插入顺序信息，也就是说使用Iterator遍历HashSet得到的结果是不确定的。
    • LinkedHashSet：具有HashSet的查找效率，并且内部使用双向链表维护元素的插入顺序。
  3. Queue
    • LinkedList：可以用它来实现双向队列。
    • PriorityQueue：基于堆结构实现，可以用它来实现优先队列。

Map

|----Map接口
    |----TreeMap
	|----HashMap
	    |----LinkedHashMap
    |----Hashtable
    	|----Properties
  • TreeMap：基于红黑树实现。
  • HashMap：基于哈希表实现。可以实现键值为null。
  • HashTable：和 HashMap 类似，但它是线程安全的，这意味着同一时刻多个线程同时写入 HashTable 不会导致数据不一致。它是遗留类，不应该去使用它，而是使用ConcurrentHashMap 来支持线程安全，ConcurrentHashMap 的效率会更高，因为 ConcurrentHashMap 引入了分段锁。不能实现键值为null。
  • LinkedHashMap：使用双向链表来维护元素的顺序，顺序为插入顺序或者最近最少使用（LRU）顺序。

二、容器中的设计模式

迭代器模式

Collection继承了Iterator接口，其中iterator()方法能够产生一个Iterator对象，通过这个对象就可以迭代遍历Collection中的元素。

从JDK1.5之后可以使用foreach方法来遍历实现Iterable接口的聚合对象。

List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("a");
list.add("b");
for (String item : list) {
    System.out.println(item);
}

遍历的另外一种实现。

Iterator iterator = coll2.iterator();

iterator = coll2.iterator();
while(iterator.hasNext()){
    System.out.println(iterator.next());
}

remove()方法的使用：

Collection coll2 = new ArrayList();
coll2.add(123);
coll2.add(new String("123333"));
coll2.add("12aaa");
coll2.add(false);

Iterator iterator = coll2.iterator();
while(iterator.hasNext()){
    Object obj = iterator.next();
    if("12aaa".equals(obj)){
        iterator.remove();
    }
}

适配器模式

java.util.Arrays#asList() 可以把数组类型转换为 List 类型。

应该注意的是 asList() 的参数为泛型的变长参数，不能使用基本类型数组作为参数，只能使用相应的包装类型数组。

Integer[] arr = {1, 2, 3};
List list = Arrays.asList(arr);

也可以使用以下方式调用 asList()：

List list = Arrays.asList(1, 2, 3);

三、源码分析

在 IDEA 中 double shift 调出 Search EveryWhere，查找源码文件，找到之后就可以阅读源码。

ArrayList

  1. 概述

    因为ArrayList是基于数组实现的，所以支持快速随机访问。

    RandomAccess接口标识着该类支持快速随机访问。

    public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable

    数组的默认大小为10。

    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

  2. 扩容

    添加元素时使用 ensureCapacityInternal() 方法来保证容量足够，如果不够时，需要使用 grow() 方法进行扩容，新容量的大小为 oldCapacity + (oldCapacity >> 1)，即 oldCapacity+oldCapacity/2。其中 oldCapacity >> 1 需要取整，所以新容量大约是旧容量的 1.5 倍左右。（oldCapacity 为偶数就是 1.5 倍，为奇数就是 1.5 倍-0.5）

    扩容操作需要调用 Arrays.copyOf() 把原数组整个复制到新数组中，这个操作代价很高，因此最好在创建 ArrayList 对象时就指定大概的容量大小，减少扩容操作的次数。

    public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;
    // overflow-conscious code
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}

private void grow(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

  3. 删除元素

    需要调用 System.arraycopy() 将 index+1 后面的元素都复制到 index 位置上，该操作的时间复杂度为 O(N)，可以看到 ArrayList 删除元素的代价是非常高的。

    public E remove(int index) {
    rangeCheck(index);
    modCount++;
    E oldValue = elementData(index);
    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
    return oldValue;
}

  4. jdk8相比7的更改

    创建的时候初始化为{}，并没有创建长度为10，直到第一次调用add()时，底层才创建了长度为10的数组。

    public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

    jdk7中ArrayList的创建类似于单例模式中的饿汉式，而jdk8中对象的创建类似于懒汉式。节省内存。

Vector

  1. 同步

    它的实现与 ArrayList 类似，但是使用了 synchronized 进行同步。

    public synchronized boolean add(E e) {
    modCount++;
    ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
    elementData[elementCount++] = e;
    return true;
}

public synchronized E get(int index) {
    if (index >= elementCount)
        throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);

    return elementData(index);
}

  2. 扩容

    Vector 的构造函数可以传入 capacityIncrement 参数，它的作用是在扩容时使容量 capacity 增长 capacityIncrement。如果这个参数的值小于等于 0，扩容时每次都令 capacity 为原来的两倍。

    public Vector(int initialCapacity, int capacityIncrement) {
    super();
    if (initialCapacity < 0)
        throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                           initialCapacity);
    this.elementData = new Object[initialCapacity];
    this.capacityIncrement = capacityIncrement;
}
    private void grow(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + ((capacityIncrement > 0) ?
                                     capacityIncrement : oldCapacity);
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

    调用没有 capacityIncrement 的构造函数时，capacityIncrement 值被设置为 0，也就是说默认情况下 Vector 每次扩容时容量都会翻倍。

  3. 与ArrayList的比较

    • Vector 是同步的，因此开销就比 ArrayList 要大，访问速度更慢。最好使用 ArrayList 而不是 Vector，因为同步操作完全可以由程序员自己来控制；
    • Vector 每次扩容请求其大小的 2 倍（也可以通过构造函数设置增长的容量），而 ArrayList 是 1.5 倍。

  4. 替代方法

    可以使用 Collections.synchronizedList(); 得到一个线程安全的 ArrayList。

    List<String> list = new ArrayList<>();
List<String> synList = Collections.synchronizedList(list);

    也可以使用 concurrent 并发包下的 CopyOnWriteArrayList 类。

    List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();

LinkedList

  1. 概述

    基于双向链表实现，使用Node存储链表节点的信息。

    private static class Node<E> {
    E item;
    Node<E> next;
    Node<E> prev;
}

    每个链表存储了 first 和 last 指针：

    transient Node<E> first;
transient Node<E> last;

  2. 与ArrayList的比较

    ArrayList 基于动态数组实现，LinkedList 基于双向链表实现。ArrayList 和 LinkedList 的区别可以归结为数组和链表的区别：

    • 数组支持随机访问，但插入删除的代价很高，需要移动大量元素；
    • 链表不支持随机访问，但插入删除只需要改变指针。

HashMap

  1. 存储结构

    内部包含了一个 Entry 类型的数组 table。Entry 存储着键值对。它包含了四个字段，从 next 字段我们可以看出 Entry 是一个链表。即数组中的每个位置被当成一个桶，一个桶存放一个链表。HashMap 使用拉链法(7头8尾)来解决冲突，同一个链表中存放哈希值和散列桶取模运算结果相同的 Entry。

    transient Entry[] table;
    static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final K key;
    V value;
    Entry<K,V> next;
    int hash;

    Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
        value = v;
        next = n;
        key = k;
        hash = h;
    }
}

    在实例化以后，底层创建了长度是16的一维数组Entry[] table。

  2. put

    首先，调用key1所在类的hashCode()计算key1的哈希值，此哈希值经过某种算法以后，得到Entry数组中的存放位置

    如果此位置上的数据为空，此时的key1-value1添加成功 ---情况1

    如果此位置上的数据不为空，（意味着此位置上存在着一个或多个数据（以链表形式存在）），比较key1和已经存在的一个或多个数据的哈希值：

    ​ 如果key1的哈希值与已经存在的数据的哈希值不同，此时key1-value1添加成功. ---情况2

    ​ 如果key1的哈希值与已经存在的数据（key2-value2）的哈希值相同，继续比较：调用key1所在类的equals()方法，比较：

    ​ 如果equals()返回false:此时的key1-value1添加成功. ---情况3

    ​ 如果equals()返回true：使用value1替换相同key的value值。

    补充：关于情况2和情况3：此时key1-value1和原来的数据以链表的方式存储。

    在不断的添加的过程中，会涉及到扩容问题，默认的扩容方式：扩容为原来的2倍，并将原有的数据复制过来。

  3. jdk8中相较于jdk7的不同

    1. new HashMap():底层没有创建一个长度为16的数组

    2. jdk 8底层的数组是：Node[],而非Entry[]

    3. 首次调用put()方法是，底层创建长度为16的数组

    4. jdk7底层结构只有：数组+链表，jdk8中底层结构：数组+链表+红黑树 > > 当数组的某一个索引位置上的元素以链表形式存在的数据个数 > 8 且当前数据的长度 > 64时，此时此索引位置上的所有数据修改为红黑树存储。

    DEFAULT_INITIAL_CAPACITY：HashMap的默认容量：16

    DEFAULT_LOAD_FACTOR：HashMap的默认记载因子：0.75

    threshold：扩容的临界值： = 容量 * 填充因子：16 * 0.75 => 12

    TREEIFY_THRESHOLD：Bucket中链表长度大于该默认值，转化为红黑树

    MIN_TREEIFY_CAPACITY：桶中的Node被树化时最小的hash表容量:64

LinkedHashMap

  1. 存储结构

    继承自 HashMap，因此具有和 HashMap 一样的快速查找特性。

static class Entry<K,V> extends HashMap.Node<K,V> {
	Entry<K,V> before, after;
    Entry(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
    	super(hash, key, value, next);
    }
}