Java 容器相关知识全面总结

Posted 2020-08-12

Java实用类库提供了一套相当完整的容器来帮助我们解决很多具体问题。因为我本身是一名android开发者，包括我在内很多安卓开发，最拿手的就是ListView(RecycleView)+BaseAdapter+ArrayList三剑客, 平时接触使用的容器也只有ArrayList和HashMap。导致对于整个Java容器体系的掌握和使用还停留在很浅的层面。省不足而思改进，那么跟着我来总结一下Java容器的相关知识吧。

结构

• java容器类的继承结构
• 具体介绍
  • 迭代器
  • Collection
    • List
    • Set
    • Queue
  • Map
• 一些建议
• 进阶·并发容器
  • CopyOnWriteArrayList与Copy-On-Write策略
  • ConcurrentLinkedQueue
  • ConcurrentHashMap与锁分段技术
  • 阻塞队列

java容器类的继承结构

Java容器类库定义了两个不同概念的容器，Collection和Map

• Collection 一个独立元素的序列，这些元素都服从一条或多条规则。List必须按照插入的顺序保存元素。Set不能有重复元素。Queue按照排队规则来确定对象产生的顺序。

(文中Jdk源码版本无特殊说明均为jdk1.8.0_101)

 public interface Collection<E> extends Iterable<E> {
        int size();

        boolean isEmpty();

        boolean contains(Object o);

        Iterator<E> iterator();

        Object[] toArray();

        <T> T[] toArray(T[] a);

        boolean add(E e);

        boolean remove(Object o);

        boolean containsAll(java.util.Collection<?> c);

        boolean addAll(java.util.Collection<? extends E> c);

        boolean removeAll(java.util.Collection<?> c);

        ... //省略了其他方法
    }

可以看到，java定义了Collection接口和内部集合的基本操作方法，Collection默认可以进行对集合末端添加元素，删除指定元素等操作。List、Set、Queue接口都继承自Collection并定义了各自不同的方法。

• Map 一组成对的”键值对”对象，允许我们使用键来查找值。

public interface Map<K,V> {
        int size();

        boolean containsKey(Object key);

        boolean containsValue(Object value);

        V get(Object key);

        V put(K key, V value);

        V remove(Object key);

        void putAll(java.util.Map<? extends K, ? extends V> m);

        void clear();

        Set<K> keySet();

        Collection<V> values();

        Set<java.util.Map.Entry<K, V>> entrySet();

        interface Entry<K,V> {
            K getKey();

            V getValue();

            V setValue(V value);

            boolean equals(Object o);

            int hashCode();

            ...
        }

        boolean equals(Object o);

        int hashCode();

    }

Map内部接口Entry<K,V>对应着Map的键值对。

具体介绍

迭代器

先介绍一下迭代器。迭代器本身也是一种设计模式，设计的初衷在于：容器的实现由很多种，而我们想对容器进行遍历操作的话，首先不应该关心容器实现的细节，其次遍历操作应该是轻量级的。迭代器统一了对容器的访问方式，同时创建它的代价很小。值得注意的是，Iterator只能单向移动。

public interface Iterator<E> {
        boolean hasNext();

        E next();

        default void remove() {
            throw new UnsupportedOperationException("remove");
        }

        default void forEachRemaining(Consumer<? super E> action) {
            Objects.requireNonNull(action);
            while (hasNext())
                action.accept(next());
            }
    }

通过容器的iterator()方法拿到容器的迭代器
迭代器的next()获取下一个元素
hasNext()判断是否还有元素
remove()删除指定元素

ListIterator

ListIterator是Iterator的扩展之内，用于各种List类访问，支持双向移动。

Collection

List

List 承诺可以将元素维护在特定的序列中.List接口在Collection的基础上添加了大量的方法，使得可以再List中间插入和移除元素。

public interface List<E> extends Collection<E> {

        ...

        boolean add(E e);

        boolean remove(Object o);

        boolean containsAll(Collection<?> c);

        boolean addAll(Collection<? extends E> c);

        boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c);

        boolean removeAll(Collection<?> c);

        boolean retainAll(Collection<?> c);

        E get(int index);

        E set(int index, E element);

        void add(int index, E element);

        E remove(int index);

        int indexOf(Object o);

        int lastIndexOf(Object o);

        java.util.List<E> subList(int fromIndex, int toIndex);

        ...

    }

有两种类型的List，ArrayList和LinkedList

List类型	优点	缺点	底层实现
ArrayList	随机访问元素较快	中间元素的插入和删除较慢	数组
LinkedList	中间元素的插入和删除，顺序访问的优化	随机访问元素较慢	双向链表

Set

Set不保存重复的元素，通常用于快速查找元素。值得一提的是，Set具有与Collection完全一样的接口，没有任何额外的功能。 存入的元素必须定义equals()方法

Set类型	使用场景	底层实现
HashSet	快速查找，元素必须定义hashCode()	链表
TreeSet	保持次序，元素必须实现Comparable接口	红-黑树结构
LinkedHashSet	维护次序的HashSet, 元素必须定义hashCode()	链表

Queue

除了并发应用，Queue仅有的两个实现是LinkedList和PriorityQueue, 其中LinkedList同时实现了List, Deque接口。它们的差异在于排序行为而不是性能。

public interface Queue<E> extends Collection<E> {
        boolean add(E e);

        boolean offer(E e);

        E remove();

        E poll();

        E element();

        E peek();
    }

Map

Map类型	使用场景	底层实现
HashMap	快速查询	散列表
LinkedHashMap	迭代遍历具有顺序(插入顺序 or 最近最少使用)	链表
TreeMap	具有排序，唯一可以返回子树的Map(subMap())	红-黑树结构
WeakHashMap	弱键映射，映射之外无引用的键，可以被垃圾回收	散列表
ConcurrentHashMap	线程安全的Map	链表
IdentityHashMap	使用==代替equals()对键进行排序，专位解决特殊问题	链表

我们可以手工调整HashMap来调整性能，涉及到如容量、初始容量、尺寸、负载因子等概念。感兴趣的话可以看一些相关资料。

一些建议

• 不要使用过时的容器 如Vector Enumeration Hashtable Stack(没错，这就是java最初的糟糕设计，实际中使用栈的话推荐LinkedList)

进阶·并发容器

这里不会讨论的太细致的实现，仅仅简单介绍一下基础知识，感兴趣的可以阅读《Java 并发编程的艺术》这本书。

CopyOnWriteArrayList与Copy-On-Write策略

Copy-On-Write简称COW，是一种用于程序设计中的优化策略。其基本思路是，从一开始大家都在共享同一个内容，当某个人想要修改这个内容的时候，才会真正把内容Copy出去形成一个新的内容然后再改，这是一种延时懒惰策略。从JDK1.5开始Java并发包里提供了两个使用CopyOnWrite机制实现的并发容器,它们是CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet。CopyOnWrite容器非常有用，可以在非常多的并发场景中使用到。

CopyOnWrite容器即写时复制的容器。通俗的理解是当我们往一个容器添加元素的时候，不直接往当前容器添加，而是先将当前容器进行Copy，复制出一个新的容器，然后新的容器里添加元素，添加完元素之后，再将原容器的引用指向新的容器。这样做的好处是我们可以对CopyOnWrite容器进行并发的读，而不需要加锁，因为当前容器不会添加任何元素。所以CopyOnWrite容器也是一种读写分离的思想，读和写不同的容器。

CopyOnWrite容器只能保证数据的最终一致性，不能保证数据的实时一致性。所以如果你希望写入的的数据，马上能读到，请不要使用CopyOnWrite容器。

ConcurrentLinkedQueue

在并发编程中，有时候需要使用线程安全的队列或列表。通常实现线程安全有两种方式，一种是使用阻塞算法，一种是使用非阻塞算法。非阻塞算法实现基础为循环CAS(Compare and Swipe 比较和交换)。

ConcurrentLinkedQueue技术上的实现与CopyOnWriteArrayList与Copy类似，但是容器只有部分内容而不是整个容器可以被复制和修改。ConcurrentLinkedQueue有head节点和tail节点组成，每个节点由节点元素(item)和指向下一个结点(next)的引用组成。节点之间通过next关联起来，形成一张链表结构的队列。

ConcurrentHashMap与锁分段技术

ConcurrentHashMap是线程安全且高效的HashMap。多线程环境下，使用非线程安全的HashMap会导致死循环，而如文章中建议的那样，HashTable这种过时容器效率低下(使用synchronized来保证线程安全)。ConcurrentHashMap使用锁分段技术，大大提高了并发使用的效率。

锁分段技术: 假设容器有多把锁，每一把锁用于锁容器其中一部分数据，当多线程访问容器不同数据段数据时，线程间就不存在锁竞争，从而提高并发访问效率。

阻塞队列

JDK7 提供了7个阻塞队列，实现原理都是基于生产-消费模式的等待通知机制。

阻塞队列类型	特点
ArrayBlockingQueue	由数组结构组成的有界阻塞队列
LinkedBlockingQueue	由链表结构组成的有界阻塞队列
PriorityBlockingQueue	支持优先级排序的无界阻塞队列
DelayQueue	使用优先级队列实现的无界阻塞队列
SynchronousQueue	不储存元素的阻塞队列
LinkedTransferQueue	由链表结构组成的无界阻塞队列
LinkedBlockingQueue	由链表结构组成的双向阻塞队列

感谢阅读~