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概覽
容器主要包括 Collection 和 Map 兩種,Collection 又包含了 List、Set 以及 Queue。
1. List
ArrayList:基於動態數組實現,支持隨機訪問;
LinkedList:基於雙向循環鏈表實現,只能順序訪問,但是可以快速地在鏈表中間插入和刪除元素。不僅如此,LinkedList 還可以用作棧、隊列和雙端隊列。
2. Set
HashSet:基於 Hash 實現,支持快速查找,但是失去有序性;
TreeSet:基於紅黑樹實現,保持有序,但是查找效率不如 HashSet;
LinkedListHashSet:具有 HashSet 的查找效率,且內部使用鏈表維護元素的插入順序,因此具有有序性。
3. Queue
只有兩個實現:LinkedList 和 PriorityQueue,其中 LinkedList 支持雙向隊列,PriorityQueue 是基於堆結構實現。
4. Map
HashMap:基於 Hash 實現
LinkedHashMap:使用鏈表來維護元素的順序,順序爲插入順序或者最近最少使用(LRU)順序
TreeMap:基於紅黑樹實現
ConcurrentHashMap:線程安全 Map,不涉及類似於 HashTable 的同步加鎖
5. Java 1.0/1.1 容器
對於舊的容器,我們決不應該使用它們,只需要對它們進行了解。
Vector:和 ArrayList 類似,但它是線程安全的
HashTable:和 HashMap 類似,但它是線程安全的
容器中的設計模式
1. 迭代器模式
從概覽圖可以看到,每個集合類都有一個 Iterator 對象,可以通過這個迭代器對象來遍歷集合中的元素。
2. 適配器模式
java.util.Arrays#asList() 可以把數組類型轉換爲 List 類型。
List list = Arrays.asList(1, 2, 3);
int[] arr = {1, 2, 3};
list = Arrays.asList(arr);
散列
使用 hasCode() 來返回散列值,使用的是對象的地址。
而 equals() 是用來判斷兩個對象是否相等的,相等的兩個對象散列值一定要相同,但是散列值相同的兩個對象不一定相等。
相等必須滿足以下五個性質:
- 自反性
- 對稱性
- 傳遞性
- 一致性(多次調用 x.equals(y),結果不變)
- 對任何不是 null 的對象 x 調用 x.equals(nul) 結果都爲 false
源碼分析
建議先閱讀 算法 - 查找 部分,對集合類源碼的理解有很大幫助。
源碼下載:OpenJDK 1.7
1. ArraList
實現了 RandomAccess 接口,因此支持隨機訪問,這是理所當然的,因爲 ArrayList 是基於數組實現的。
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
基於數組實現,保存元素的數組使用 transient 修飾,這是因爲該數組不一定所有位置都佔滿元素,因此也就沒必要全部都進行序列化。需要重寫 writeObject() 和 readObject()。
private transient Object[] elementData;
數組的默認大小爲 10
public ArrayList(int initialCapacity) {
super();
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+ initialCapacity);
this.elementData = new Object[initialCapacity];
}
public ArrayList() {
this(10);
}
刪除元素時調用 System.arraycopy() 對元素進行復制,因此刪除操作成本很高,最好在創建時就指定大概的容量大小,減少複製操作的執行次數。
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; // Let gc do its work
return oldValue;
}
添加元素時使用 ensureCapacity() 方法來保證容量足夠,如果不夠時,需要進行擴容,使得新容量爲舊容量的 1.5 倍。
modCount 用來記錄 ArrayList 發生變化的次數,因爲每次在進行 add() 和 addAll() 時都需要調用 ensureCapacity(),因此直接在 ensureCapacity() 中對 modCount 進行修改。
public void ensureCapacity(int minCapacity) {
if (minCapacity > 0)
ensureCapacityInternal(minCapacity);
}
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
modCount++;
// overflow-conscious code
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
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);
}
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
if (minCapacity < 0) // overflow
throw new OutOfMemoryError();
return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
Integer.MAX_VALUE :
MAX_ARRAY_SIZE;
}
在進行序列化或者迭代等操作時,需要比較操作前後 modCount 是否改變,如果改變了需要拋出 ConcurrentModificationException。
private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
throws java.io.IOException{
// Write out element count, and any hidden stuff
int expectedModCount = modCount;
s.defaultWriteObject();
// Write out array length
s.writeInt(elementData.length);
// Write out all elements in the proper order.
for (int i=0; i<size; i++)
s.writeObject(elementData[i]);
if (modCount != expectedModCount) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
和 Vector 的區別
- Vector 和 ArrayList 幾乎是完全相同的,唯一的區別在於 Vector 是同步的,因此開銷就比 ArrayList 要大,訪問要慢。最好使用 ArrayList 而不是 Vector,因爲同步完全可以由程序員自己來控制;
- Vector 每次擴容請求其大小的 2 倍空間,而 ArrayList 是 1.5 倍。
爲了使用線程安全的 ArrayList,可以使用 Collections.synchronizedList(new ArrayList<>()); 返回一個線程安全的 ArrayList,也可以使用 concurrent 併發包下的 CopyOnWriteArrayList 類;
和 LinkedList 的區別
- ArrayList 基於動態數組實現,LinkedList 基於雙向循環鏈表實現;
- ArrayList 支持隨機訪問,LinkedList 不支持;
- LinkedList 在任意位置添加刪除元素更快。
2. Vector 與 Stack
3. LinkedList
4. TreeMap
5. HashMap
使用拉鍊法來解決衝突。
默認容量 capacity 爲 16,需要注意的是容量必須保證爲 2 的次方。容量就是 Entry[] table 數組的長度,size 是數組的實際使用量。
threshold 規定了一個 size 的臨界值,size 必須小於 threshold,如果大於等於,就必須進行擴容操作。
threshold = capacity * load_factor,其中 load_factor 爲 table 數組能夠使用的比例,load_factor 過大會導致聚簇的出現,從而影響查詢和插入的效率,詳見算法筆記。
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
transient Entry[] table;
transient int size;
int threshold;
final float loadFactor;
transient int modCount;
從下面的添加元素代碼中可以看出,當需要擴容時,令 capacity 爲原來的兩倍。
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
if (size++ >= threshold)
resize(2 * table.length);
}
Entry 用來表示一個鍵值對元素,其中的 next 指針在序列化時會使用。
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final K key;
V value;
Entry<K,V> next;
final int hash;
}
get() 操作需要分成兩種情況,key 爲 null 和 不爲 null,從中可以看出 HashMap 允許插入 null 作爲鍵。
public V get(Object key) {
if (key == null)
return getForNullKey();
int hash = hash(key.hashCode());
for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)]; e != null; e = e.next) {
Object k;
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))
return e.value;
}
return null;
}
put() 操作也需要根據 key 是否爲 null 做不同的處理,需要注意的是如果本來沒有 key 爲 null 的鍵值對,新插入一個 key 爲 null 的鍵值對時默認是放在數組的 0 位置,這是因爲 null 不能計算 hash 值,也就無法知道應該放在哪個鏈表上。
public V put(K key, V value) {
if (key == null)
return putForNullKey(value);
int hash = hash(key.hashCode());
int i = indexFor(hash, table.length);
for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
Object k;
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
modCount++;
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}
private V putForNullKey(V value) {
for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
if (e.key == null) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
modCount++;
addEntry(0, null, value, 0);
return null;
}
6. LinkedHashMap
7. ConcurrentHashMap
探索 ConcurrentHashMap 高併發性的實現機制
參考資料
- Java 編程思想