Java核心（四）你不知道的數據集合

導讀：Map竟然不屬於Java集合框架的子集？隊列也和List一樣屬於集合的三大子集之一？更有隊列的正確使用姿勢，一起來看吧！

Java中的集合通常指的是Collection下的三個集合框架List、Set、Queue和Map集合，Map並不屬於Collection的子集，而是和它平行的頂級接口。Collection下的子集的關係如文章開頭圖片所示。

本文的重點將會圍繞： 集合的使用、性能、線程安全、差異性、源碼解讀等幾個方面進行介紹。

本文涉及的知識點，分爲兩部分：

第一部分，Collection所有子集：

• List => Vector、ArrayList、LinkedList
• Set => HashSet、TreeSet
• Queue

第二部分，Map => Hashtable、HashMap、TreeMap、ConcurrentHashMap。

一、List

我們先來看List、Vector、ArrayList、LinkedList，它們之間的繼承關係圖，如下圖：

可以看出Vector、ArrayList、LinkedList，這三者都是實現集合框架中的List，也就是所謂的有序集合，因此具體功能也比較近似，比如都提供按照位置進行定位、添加或者刪除的操作，都提供迭代器以遍歷其內容等。但因爲具體的設計區別，在行爲、性能、線程安全等方面，表現又有很大不同。

來看它們的主要方法，如下圖：

常用方法：

• size 集合個數
• add()/add(int, E) 添加末尾/添加指定位置
• get(int) 獲取
• remove 刪除
• clear 清空
• ...

1.1 Vector

Vector是Java早期提供的 線程安全的動態數組， 如果不需要線程安全，並不建議選擇，畢竟同步是有額外開銷的。Vector 內部是使用對象數組來保存數據，可以根據需要自動的增加容量，當數組已滿時，會創建新的數組，並拷貝原有數組數據。

看源代碼可以知道，我們Vector是通過 synchronized 實現線程安全的：

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

Vector動態增加容量，源碼查看：

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);
}

capacityIncrement變量是what？答案如下：

public Vector(int initialCapacity, int capacityIncrement) {
    super();
    if (initialCapacity < 0)
        throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                           initialCapacity);
    this.elementData = new Object[initialCapacity];
    this.capacityIncrement = capacityIncrement;
}

Vector動態增加容量總結： 由上面的源碼可知，如果初始化Vector的時候指定了動態容量擴展大小，就增加指定的動態大小，如果未指定，則擴展一倍的容量。

1.2 ArrayList

ArrayList 是應用更加廣泛的動態數組，它本身不是線程安全的，所以性能要好很多。

ArrayList的使用與Vector類似，但有着不同的動態擴容機制，如下源碼：

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);
}

其中“>> 1”是位運算相當於除2，所有ArrayList擴容是動態擴展50%.

1.3 LinkedList

LinkedList 顧名思義是 Java 提供的雙向鏈表，所以它不需要像上面兩種那樣調整容量，它也不是線程安全的，它包含一個非常重要的內部類：Entry。Entry是雙向鏈表節點所對應的數據結構，它包括的屬性有：當前節點所包含的值，上一個節點，下一個節點。

1.4 Vector、ArrayList、LinkedList區別

Vector、ArrayList、LinkedList的區別，可以從以下幾個維度進行對比：

1.4.1 底層實現的區別

Vector、ArrayList 內部使用數組進行實現，LinkedList 內部使用雙向鏈表實現。

1.4.2 讀寫性能方面的區別

ArrayList 對元素 非末位 的增加和刪除都會引起內存分配空間的動態變化，因此非末位的操作速度較慢，但檢索速度很快。

LinkedList 基於鏈表方式存放數據，增加和刪除元素的速度較快，但是檢索速度較慢。

1.4.3 線程安全方面的區別

Vector 使用了synchronized 修飾了操作方法是線程安全的，而 ArrayList、LinkedList 是非線程安全的。

如果需要使用線程安全的List可以使用CopyOnWriteArrayList類。

二、Map

Hashtable、HashMap、TreeMap 都是最常見的一些 Map 實現，是以鍵值對的形式存儲和操作數據的容器類型。

它們之間的關係，如下圖：

• Hashtable 是早期 Java 類庫提供的一個哈希表實現，本身是同步的，不支持 null 鍵和值，由於同步導致的性能開銷，所以已經很少被推薦使用。
• HashMap 是應用更加廣泛的哈希表實現，行爲上大致上與 HashTable 一致，主要區別在於 HashMap 不是同步的，支持 null 鍵和值等。通常情況下，HashMap 進行 put 或者 get 操作，可以達到常數時間的性能，所以它是絕大部分利用鍵值對存取場景的首選，比如，實現一個用戶 ID 和用戶信息對應的運行時存儲結構。
• TreeMap 則是基於紅黑樹的一種提供順序訪問的 Map，和 HashMap 不同，它的 get、put、remove 之類操作都是 O（log(n)）的時間複雜度，具體順序可以由指定的 Comparator 來決定，或者根據鍵的自然順序來判斷。

HashMap 的性能表現非常依賴於哈希碼的有效性，請務必掌握 hashCode 和 equals 的一些基本約定，比如：

• equals 相等，hashCode 一定要相等；
• 重寫了 equals 也要重寫 hashCode；
• hashCode 需要保持一致性，狀態改變返回的哈希值仍然要一致；
• equals 的對稱、反射、傳遞等特性；

線程安全： Hashtable是線程安全的，HashMap和TreeMap是非線程安全的。HashMap可以使用ConcurrentHashMap來保證線程安全。

三、Set

Set有兩個比較常用的子集：HashSet、TreeSet.

HashSet內部使用的是HashMap實現的，看源代碼可知：

public HashSet() {
    map = new HashMap<>();
}

HashSet也並不是線程安全的，HashSet用於存儲無序(存入和取出的順序不一定相同)元素，值也不能重複。

HashSet可以去除重複的值，如下代碼：

public static void main(String[] args) {
        Set set = new HashSet();
        set.add("orange");
        set.add("apple");
        set.add("banana");
        set.add("grape");
        set.add("banana");
        System.out.println(set);
}

編譯器不會報錯，執行的結果爲：[orange, banana, apple, grape]，去掉了重複的“banana”選項。但排序是無序的，如果要實現有序的存儲就要使用TreeSet了。

public static void main(String[] args) {
    Set set = new TreeSet();
    set.add("orange");
    set.add("apple");
    set.add("banana");
    set.add("grape");
    set.add("banana");
    System.out.println(set);
}

輸出的結果是：[apple, banana, grape, orange]

同樣，我們查看源碼發現，TreeSet的底層實現是TreeMap，源碼如下：

public TreeSet() {
    this(new TreeMap<E,Object>());
}

TreeSet也是非線程安全的。

四、Queue

Queue（隊列）與棧是相對的一種數據結構。只允許在一端進行插入操作，而在另一端進行刪除操作的線性表。棧的特點是後進先出，而隊列的特點是先進先出。隊列的用處很大，但大多都是在其他的數據結構中，比如，樹的按層遍歷，圖的廣度優先搜索等都需要使用隊列做爲輔助數據結構。

Queue的直接子集，如下圖：

其中最常用的就是線程安全類：BlockingQueue.

4.1 Queue方法

• 添加：add(e) / offer(e)
• 移除：remove() / poll()
• 查找：element() / peek()

注意：

1. 避免add()和remove()方法，而是要使用offer()和poll()添加和移除元素。後者操作失敗不會報錯，前者會拋出異常；
2. element() / peek() 都爲查詢第一個元素，不會刪除集合，但element()查詢失敗會拋出異常，peek()不會。

4.2 Queue使用

Queue<String> queue =  new LinkedList<String>();
queue.offer("a");
queue.offer("b");
queue.offer("c");
queue.offer("d");
System.out.println(queue);
queue.poll();
System.out.println(queue);
queue.poll();
queue.poll();
queue.poll();
System.out.println(queue.peek());
// System.out.println(queue.element()); // element 查詢失敗會拋出異常
System.out.println(queue);

4.3 其他隊列

ArrayBlockingQueue 底層是數組，有界隊列，如果我們要使用生產者-消費者模式，這是非常好的選擇。

LinkedBlockingQueue 底層是鏈表，可以當做無界和有界隊列來使用，所以大家不要以爲它就是無界隊列。

SynchronousQueue 本身不帶有空間來存儲任何元素，使用上可以選擇公平模式和非公平模式。

PriorityBlockingQueue 是無界隊列，基於數組，數據結構爲二叉堆，數組第一個也是樹的根節點總是最小值。

ArrayBlockingQueue ：一個由數組結構組成的有界阻塞隊列。

LinkedBlockingQueue ：一個由鏈表結構組成的有界阻塞隊列。

PriorityBlockingQueue ：一個支持優先級排序的無界阻塞隊列。

DelayQueue：一個使用優先級隊列實現的無界阻塞隊列。

SynchronousQueue：一個不存儲元素的阻塞隊列。

LinkedTransferQueue：一個由鏈表結構組成的無界阻塞隊列。

LinkedBlockingDeque：一個由鏈表結構組成的雙向阻塞隊列

五、擴展：String的線程安全

關於String、StringBuffer、StringBuilder的線程安全

String是典型的Immutable（不可變）類，被聲明爲final所有屬性也都是final，所有它是不可變的，所有拼加、截取等動作等會產生新的String對象。

StringBuffer是爲了解決上面的問題，而誕生的，提供了append方法實現了對字符串的拼加，append方法使用了synchronized實現了線程安全。

StringBuilder是JDK 1.5 新出的特性，作爲StringBuffer的性能補充，StringBuffer的append方法使用了synchronized實現了線程的安全，但同時也帶來了性能開銷，在沒有線程安全的情況下可以優先使用StringBuilder。

六、總結

List 也就是我們前面介紹最多的有序集合，它提供了方便的訪問、插入、刪除等操作。

Set 是不允許重複元素的，這是和 List 最明顯的區別，也就是不存在兩個對象 equals 返回 true。我們在日常開發中有很多需要保證元素唯一性的場合。

Queue/Deque 則是 Java 提供的標準隊列結構的實現，除了集合的基本功能，它還支持類似先入先出（FIFO， First-in-First-Out）或者後入先出（LIFO，Last-In-First-Out）等特定行爲。這裏不包括 BlockingQueue，因爲通常是併發編程場合，所以被放置在併發包裏。

Map 是廣義 Java 集合框架中的另外一部分，Map 接口存儲一組鍵值對象，提供key（鍵）到value（值）的映射。

七、參考資料

《碼出高效：Java開發手冊》

Java核心技術36講：http://t.cn/EwUJvWA

Oracle docs：https://docs.oracle.com/javas...