java容器类

Posted 2020-09-17

一、  容器类：

下图摘自《Java编程思想》,很好地展示了整个容器类的结构。

 

 

 

由上图可知，容器类库可分为两大类，各自实现了Collection接口和Map接口，下面就常见的类进行一下分类：

实现Collection接口的容器类

Collection 
├List 
│├LinkedList 
│├ArrayList 
│└Vector 
│　└Stack 
├Set 

│├TreeSet
│└HashSet

└LinkedHashSet 

├Queue

│├LinkedList 

│├DelayQueue
│└PriorityQueue

实现Map接口的容器类

Map 
├HashMap 

└LinkedHashMap

├Hashtable

├IdentityHashMap

├TreeMap
└WeakHashMap

容器类由两个顶层接口自上而下扩展：

• Collection： 存放独立元素的序列
• Map：存放key—value类型的键值对元素。

　　其中值得注意的是：Collection提供了Iterable()模式，可以获取到Iterator对集合内的元素进行遍历，而Map则需要先得到Collection进而得到Iterator进行遍历。

　　其中 接口List、Set、Queue实现了Collection接口，对应的List、Set和Queue又有其具有实现的类。实现了Map接口的主要有HashMap、LinkedHashMap、Hashtable、IdentityHashMap、TreeMap、WeakHashMap。

 

二、  实现Collection接口的容器类

　　下面就List、Set和Queue下的几种常见容器展开简要的介绍

2.1  List接口

　　两种典型实现：

• LinkedList:

　　底层实现为链表，对于这种实现结构而言，插入和删除操作效率高，而随机访问元素时效率较ArrayList低。

　　同时，又由于LinkedList实现了Deque接口，故而它还能提供List接口中没有定义的方法，专门用于操作表头和表尾的元素，可以当做堆栈和队列使用。

• ArrayList：

底层实现为数组，此种结构在随机访问和查询时效率高，而在进行插入和删除操作时效率较低。此外，由于其底层实现是数组，故而当数组大小不足需要增加存储空间时，就需要将现有数组中已有的数据复制到新的存储空间中。

两种弃用的List实现：

• Vector：

Vector和ArrayList一样也是通过数组实现的，故而其特性和ArrayList类似（Vector底层数组实现在扩容时是扩展1倍，而ArrayList则扩展50%+1个），其中值得特别注意的一点是Vector是一种线程安全的容器，即在某一时刻只有一个线程能够写Vector，避免在多线程同时写时引起的不一致性，但由于实现同步（synchronized关键字）需要较高的代价，故访问速度较慢。

• Stack:

是Vector的一个子类，实现了一个标准的后进先出的栈。（现在实现堆栈的功能一般使用LinkedList）

2.2 Set接口

是一种不包含重复元素的Collection，同时Set允许null元素。加入set的元素必须定义equals()方法来确保对象的唯一性。

几种典型的实现：

• Hashset：

利用哈希函数进行了查询效率上的优化，是一种为快速查找而设计的Set，存入其中的元素必须定义hashCode()；

• LinkedHashSet：

具有Hashset的查询速度，且内部使用链表来维护元素的顺序。元素同样必须定义HashCode()方法

• TreeSet：

    保持有序的Set（实现了SortedSet接口），底层结构为红黑树，使用它可以从Set中得到有序的序列。元素必须实现Comparable接口

2.3  Queue接口：

• PriorityQueue：

    存储在其中的元素该需要实现Comparable接口，即自己完成优先级的定义

• Deque：

    双向队列，可以在任何一段添加或移除元素。其中LinkedList实现了Deque接口，可实现队列或栈的数据结构。

三、实现Map接口的容器类

　　Map没有继承Collection的接口，其提供了key到value的映射，一个Map中不能包含相同的key，每个key只能映射一个value。

　　几种典型的实现：

• Hashtable:

　　线程安全

　　任何非空（non-null）的对象都可作为key或者value。

　　添加数据使用put(key, value)，取出数据使用get(key)，这两个基本操作的时间开销为常数。

通过initial capacity和load factor两个参数调整性能。通常缺省的load factor 0.75较好地实现了时间和空间的均衡。增大load factor可以节省空间但相应的查找时间将增大，这会影响像get和put这样的操作。

由于key的对象将通过计算其散列函数确定与之对应的value的位置，因此任何作为key的对象必须实现hashcode和equeals方法。

• HashMap：

线程不安全

HashMap和Hashtable类似，不同之处在于HashMap是非同步的，并且允许null，即null value和null key，但是将HashMap视为Collection时（values()方法可返回Collection），其迭代子操作时间开销和HashMap的容量成比例。因此，如果迭代操作的性能相当重要的话，不要将HashMap的初始化容量设得过高，或者load factor过低

• IdentityHashMap：

比较键（和值）时使用引用“==”代替equal。即在 IdentityHashMap 中，当且仅当 (k1==k2) 时，才认为两个键 k1 和 k2 相等

而在正常 Map 实现（如 HashMap）中，当且仅当满足下列条件时才认为两个键 k1 和 k2 相等：(k1==null ? k2==null : e1.equals(e2))）。

该类是应用于特定场景下,即当我们必须使用地址相等来判断值相等的场合，以及我们确定只要其地址不相等，则其equals方法的结果也必定不相等的场合。

一个很好的例子就是线程本地存储中的ThreadLocal类，该类的原理是根据Thread从其内部的Map中获取线程独立的值，那么当我们使用只判断地址相等的IdentityHashMap就会比HashMap要快一些。

• WeakHashMap：
  WeakHashMap是一种改进的HashMap，它对key实行“弱引用”，如果一个key不再被外部所引用，那么该key可以被GC回收。
• ConcurrentHashMap

线程安全的Map，与HashTable不同的，它的线程安全的实现不涉及到同步加锁，它引入了一个“分段锁”的概念，即将一个大的Map拆分成多个”HashTable”（实质上是Segment），当多线程访问容器中不同数据段的数据时，线程间就不存在锁的竞争关系。

ConcurrentHashMap是由Segment数组和HashEntry数组结构组成。其中Segment是一种可重入锁，HashEntry则用于存储键值对数据。

Segment的结构和HashMap类似，是一种数组和链表的结构。一个Segment中包含一个HashEntry数组。每个HashEntry是一个链表结构的元素。每个Segment守护着 一个HashEntry中的元素，当要对HashEntry数组的数据进行修改时，必须首先获得与它对应的Segment锁。

三、怎么选用容器类

　　在日常开发中，怎么选用合适的容器类关乎到程序的性能以及正确性等，所以怎么选用合适的容器类很关键。

　　首先一点，容器类中存储的都是对象的引用，而非对象本身。出于便利的角度，一般简称对象的引用为对象。正如上面讲到的不同的容器存储的对象类型不同，并且具有的方法也不同，或是在进行相同操作时的效率也存在差异。

　　简单来讲，我们将存储的对象分为元素和键值对两种。

　　元素一般采用实现Collection接口的容器类存储。又根据元素是否有序（TreeSet），元素是否唯一有所区别（实现Set接口的类），是否要求线程安全（Vector），常进行的操作（ArrayList和LinkedList的选用）等要求进行筛选；

　　而键值对则采用实现Map接口的容器类进行存储，又根据是否要求线程安全（ConcurrentHashMap）、是否有必要进行内存的释放（针对内存优化的WeakHashMap）、是否要求有序（TreeMap）、IdentityHashMap（是否可以用==替换equals来提示效率）等要求来进行筛选。