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java集合框架详解

时间:2019-09-14 11:06:34      阅读:132      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

标签:empty   形式   线程同步   比较   tab   动态数组   bucket   存储位置   search方法   

一、概述

Java集合类主要由两个根接口Collection和Map派生出来的,Collection派生出了三个子接口:List、Set、Queue(Java5新增的队列),因此Java集合大致也可分成List、Set、Queue、Map四种接口体系,(注意:Map不是Collection的子接口)。

数据与集合的区别

  • 数组长度不可变化而且无法保存具有映射关系的数据;集合类用于保存数量不确定的数据,以及保存具有映射关系的数据。
  • 数组元素既可以是基本类型的值,也可以是对象;集合只能保存对象。

二、Collection

UML图

技术图片

其中List代表了有序可重复集合,可直接根据元素的索引来访问;Set代表无序不可重复集合,只能根据元素本身来访问;Queue是队列集合;Map代表的是存储key-value对的集合,可根据元素的key来访问value。

  上图中淡绿色背景覆盖的是集合体系中常用的实现类,分别是ArrayList、LinkedList、ArrayQueue、HashSet、TreeSet、HashMap、TreeMap等实现类。

collection的API

技术图片

Collection 接口将对象组织到一起。数组不能调整大小,并且只能组织相同类型的对象,而Collections允许添加任何类型的对象,并且不强迫你指定初始大小。

需要注意的重要的一点是, Collection 扩展了 Iterable 接口, Collection 从那里继承了 iterator 方法。该方法返回一个 Iterator对象,可以用来遍历集合的元素。我们还会学习如何使用 for 循环来遍历一个 Collection 的元素。

List

List集合代表一个有序、可重复集合,集合中每个元素都有其对应的顺序索引。List集合默认按照元素的添加顺序设置元素的索引,可以通过索引(类似数组的下标)来访问指定位置的集合元素。

实现List接口的集合主要有:ArrayList、LinkedList、Vector、Stack。

(1) ArrayList

ArrayList的底层实现是一个动态数组,也是我们最常用的集合,是List类的典型实现。它允许任何符合规则的元素插入甚至包括null。每一个ArrayList都有一个初始容量(10),该容量代表了数组的大小。随着容器中的元素不断增加,容器的大小也会随着增加。在每次向容器中增加元素的同时都会进行容量检查,当快溢出时,就会进行扩容操作。所以如果我们明确所插入元素的多少,最好指定一个初始容量值,避免过多的进行扩容操作而浪费时间、效率。

ArrayList是线程不安全的,多线程环境下可以考虑用Collections.synchronizedList(List l)函数返回一个线程安全的ArrayList类,也可以使用concurrent并发包下的CopyOnWriteArrayList类。

因此特点:

  • ArrayList擅长于随机访问。
  • 同时ArrayList是非同步的。
  • 线程不安全的。

(2) LinkeList

LinkedList是List接口的另一个实现,除了可以根据索引访问集合元素外,LinkedList还实现了Deque接口,它的底层实现是链表,可以当作双端队列来使用,也就是说,既可以当作“栈”使用,又可以当作队列使用。

LinkedList的实现机制与ArrayList的实现机制完全不同,ArrayLiat内部以数组的形式保存集合的元素,所以随机访问集合元素有较好的性能;LinkedList内部以链表的形式保存集合中的元素,所以随机访问集合中的元素性能较差,但在插入删除元素时有较好的性能。

(3) Vector

 与ArrayList相似,但是Vector是同步的。所以说Vector是线程安全的动态数组。它的操作与ArrayList几乎一样。

vector是数据同步的但不是线程安全的。

(4) Stack

Stack继承自Vector,实现一个后进先出的堆栈。Stack提供5个额外的方法使得Vector得以被当作堆栈使用。基本的push和pop 方法,还有peek方法得到栈顶的元素,empty方法测试堆栈是否为空,search方法检测一个元素在堆栈中的位置。Stack刚创建后是空栈。

Set

Set集合与Collection的方法相同,由于Set集合不允许存储相同的元素,所以如果把两个相同元素添加到同一个Set集合,则添加操作失败,新元素不会被加入,add()方法返回false。

(1) HashSet

HashSet是Set集合最常用实现类,是其经典实现。HashSet是按照hash算法来存储元素的,因此具有很好的存取和查找性能

HashSet具有如下特点:

  • 不能保证元素的顺序。
  •  HashSet不是线程同步的,如果多线程操作HashSet集合,则应通过代码来保证其同步。
  • 集合元素值可以是null。

HashSet存储原理如下:

当向HashSet集合存储一个元素时,HashSet会调用该对象的hashCode()方法得到其hashCode值,然后根据hashCode值决定该对象的存储位置。HashSet集合判断两个元素相等的标准是

(1)两个对象通过equals()方法比较返回true;

(2)两个对象的hashCode()方法返回值相等。

因此,如果(1)和(2)有一个不满足条件,则认为这两个对象不相等,可以添加成功。如果两个对象的hashCode()方法返回值相等,但是两个对象通过equals()方法比较返回false,HashSet会以链式结构将两个对象保存在同一位置,这将导致性能下降,因此在编码时应避免出现这种情况。

理解hashCode:

  • new Object(),JVM依据这个对象的Hashcode值,放入到相应的Hash表相应的Key上,假设不同的对象确产生了同样的hash值,也就是发 生了Hash key同样导致冲突的情况,那么就在这个Hash key的地方产生一个链表,将全部产生同样hashcode的对象放到这个单链表上去,串在一起。
  • 比較两个对象的时候,首先依据他们的 hashcode去hash表中找他的对象,当两个对象的hashcode同样,那么就是说他们这两个对象放在Hash表中的同一个key上,那么他们一 定在这个key上的链表上。

HashSet查找原理如下:

基于HashSet以上的存储原理,在查找元素时,HashSet先计算元素的HashCode值(也就是调用对象的hashCode方法的返回值),然后直接到hashCode值对应的位置去取出元素即可,这就是HashSet速度很快的原因。

重写hashCode()方法的基本原则如下:

  • 在程序运行过程中,同一个对象的hashCode()方法返回值应相同。
  • 当两个对象通过equals()方法比较返回true时,这两个对象的hashCode()方法返回值应该相等。
  • 对象中用作equals()方法比较标准的实例变量,都应该用于计算hashCode值。

(2)LinkedHashSet

LinkedHashSet是HashSet的一个子类,具有HashSet的特性,也是根据元素的hashCode值来决定元素的存储位置。但它使用链表维护元素的次序,元素的顺序与添加顺序一致。由于LinkedHashSet需要维护元素的插入顺序,因此性能略低于HashSet,但在迭代访问Set里的全部元素时有很好的性能。

(3) TreeSet

TreeSet是SortedSet接口的实现类,TreeSet可以保证元素处于排序状态,它采用红黑树的数据结构来存储集合元素。TreeSet支持两种排序方法:自然排序和定制排序,默认采用自然排序。

自然排序

TreeSet会调用集合元素的compareTo(Object obj)方法来比较元素的大小关系,然后将元素按照升序排列,这就是自然排序。

如果试图将一个对象添加到TreeSet集合中,则该对象必须实现Comparable接口,否则会抛出异常。当一个对象调用方法与另一个对象比较时,例如obj1.compareTo(obj2),如果该方法返回0,则两个对象相等;如果返回一个正数,则obj1大于obj2;如果返回一个负数,则obj1小于obj2。

Java常用类中已经实现了Comparable接口的类有以下几个:

  • BigDecimal、BigDecimal以及所有数值型对应的包装类:按照它们对应的数值大小进行比较。
  • Charchter:按照字符的unicode值进行比较。
  • Boolean:true对应的包装类实例大于false对应的包装类实例。
  • String:按照字符串中的字符的unicode值进行比较。
  •  Date、Time:后面的时间、日期比前面的时间、日期大。

对于TreeSet集合而言,它判断两个对象是否相等的标准是:两个对象通过compareTo(Object obj)方法比较是否返回0,如果返回0则相等。

定制排序

想要实现定制排序,需要在创建TreeSet集合对象时,提供一个Comparator对象与该TreeSet集合关联,由Comparator对象负责集合元素的排序逻辑。

  综上:自然排序实现的是Comparable接口,定制排序实现的是Comparator接口

(4) EnumSet

EnumSet是一个专为枚举类设计的集合类,不允许添加null值。EnumSet的集合元素也是有序的,它以枚举值在Enum类内的定义顺序来决定集合元素的顺序

各Set实现类的性能分析

  • HashSet的性能比TreeSet的性能好(特别是添加,查询元素时),因为TreeSet需要额外的红黑树算法维护元素的次序,如果需要一个保持排序的Set时才用TreeSet,否则应该使用HashSet。
  • LinkedHashSet是HashSet的子类,由于需要链表维护元素的顺序,所以插入和删除操作比HashSet要慢,但遍历比HashSet快。
  • EnumSet是所有Set实现类中性能最好的,但它只能 保存同一个枚举类的枚举值作为集合元素。
  • 以上几个Set实现类都是线程不安全的,如果多线程访问,必须手动保证集合的同步性。

Map

UML类图

技术图片

概述

Map接口采用键值对Map<K,V>的存储方式,保存具有映射关系的数据,因此,Map集合里保存两组值,一组值用于保存Map里的key,另外一组值用于保存Map里的value,key和value可以是任意引用类型的数据。key值不允许重复,可以为null。如果添加key-value对时Map中已经有重复的key,则新添加的value会覆盖该key原来对应的value。常用实现类有HashMap、LinkedHashMap、TreeMap等。

Map常见的API如下:

技术图片

(1) HashMap与Hashtable

HashMap与Hashtable是Map接口的两个典型实现,它们之间的关系完全类似于ArrayList与Vertor。HashTable是一个古老的Map实现类,它提供的方法比较繁琐,目前基本不用了,HashMap与Hashtable主要存在以下两个典型区别:

  •  HashMap是线程不安全,数据不同步的,HashTable是数据同步的,但是不能保证是线程安全的。
  • HashMap可以使用null值最为key或value;Hashtable不允许使用null值作为key和value,如果把null放进HashTable中,将会发生空指针异常。

为了成功的在HashMap和Hashtable中存储和获取对象,用作key的对象必须实现hashCode()方法和equals()方法。

HashMap工作原理如下:

HashMap基于hashing原理,我们通过put()和get()方法储存和获取对象。当我们将键值对传递给put()方法时,它调用键对象的hashCode()方法来计算hashcode,让后找到bucket位置来储存值对象。当获取对象时,通过键对象的equals()方法找到正确的键值对,然后返回对象。HashMap使用链表来解决碰撞问题,当发生碰撞了,对象将会储存在链表的下一个节点中。 HashMap在每个链表节点中储存键值对对象

当两个不同的键对象的hashcode相同时会发生什么? 它们会储存在同一个bucket位置的链表中。键对象的equals()方法用来找到键值对。

(2) LinkedHashMap实现类

LinkedHashMap使用双向链表来维护key-value对的次序(其实只需要考虑key的次序即可),该链表负责维护Map的迭代顺序,与插入顺序一致,因此性能比HashMap低,但在迭代访问Map里的全部元素时有较好的性能。

(3) Properties

Properties类时Hashtable类的子类,它相当于一个key、value都是String类型的Map,主要用于读取配置文件。

(4)TreeMap

TreeMap是SortedMap的实现类,是一个红黑树的数据结构,每个key-value对作为红黑树的一个节点。TreeMap存储key-value对时,需要根据key对节点进行排序。

TreeMap也有两种排序方式:

  • 自然排序:TreeMap的所有key必须实现Comparable接口,而且所有的key应该是同一个类的对象,否则会抛出ClassCastException。
  • 定制排序:创建TreeMap时,传入一个Comparator对象,该对象负责对TreeMap中的所有key进行排序。

各Map实现类的性能分析

  • HashMap通常比Hashtable(古老的线程安全的集合)要快
  • TreeMap通常比HashMap、Hashtable要慢,因为TreeMap底层采用红黑树来管理key-value。
  • LinkedHashMap比HashMap慢一点,因为它需要维护链表来爆出key-value的插入顺序。

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