常见Java集合的实现细节

Posted 2021-01-09 爱跑步的星仔

1. Set和Map

　　Set代表一种集合元素无序、集合元素不可重复的集合，Map则代表一种由多个key-value对组成的集合，Map集合类似于传统的关联数组。表面上看它们之间相似性很少，但实际上Map和Set之间有莫大的关联。

1.1 Set和Map的关系

　　在看Set和Map之间的关系之前，先来看看Set集合的继承体系。

　　再看Map集合的类继承关系：

　　仔细观察图3.2中的Map集合的继承体系里被灰色覆盖的区域，可以发现，这些Map接口、实现类和Set集合的接口、实现类的类名完全类似，这绝不是偶然的现象，肯定有必然的原因。

　　考虑Map集合的key，不难发现，这些Map集合的key具有一个特征：所有的key不能重复，key之间没有顺序，也就是说，如果把Map集合的key集中起来，那这些key就组成了一个Set集合。所以，Map集合提供了如下方法来返回所有key组成的Set集合。

Set<K> keySet()

　　换一个思维来理解Map集合，如果把Map集合的value当成key的“附属物”（实际上也是，对于一个Map集合而言，只要给出指定的key，Map总是可以根据该key快速查询到对应的value），那么Map集合在保存key-value对时只需考虑key即可。

1.2 HashMap和HashSet

 　　下面是HashMap类的put()方法源代码如下：

　　上面的程序用到了一个重要的内部接口Map.Entry，每个Map.Entry其实就是一个key-value对。从上面的程序可以看出：当系统决定存储HashMap中的key-value对时，完全没有考虑Entry的value，而仅仅只是根据key来计算并决定每个Entry的存储位置，这也说明了前面的结论：完全可以把Map集合中的value当成是key的附属，当系统决定了key的存储位置之后，value随之保存在那里即可。

 　　从上面的put方法的源代码可以看出，当程序试图将一个key-value对放入HashMap中时，首先根据该key的hashCode()返回值决定该Entry的存储位置：如果两个Entry的key的hashCode()返回值相同，那他们的存储位置相同；如果这两个Entry的key通过equals比较返回true，新添加Entry的value将覆盖集合中原有的Entry的value，但key不会覆盖；如果这两个Entry的key通过equals比较返回false，新添加的Entry将与集合中原有的Entry形成Entry链，而且心田家的Entry位于Entry位于Entry链的头部。下面来看addEntry方法：

　　代码相对来说比较简单，系统总是将新添加的Entry对象放入table数组的bucketIndex索引处。如果bucketIndex索引处已经有了一个Entry对象，新添加的Entry对象指向原有的Entry对象（产生一个Entry链）；如果bucketIndex索引处没有Entry对象，也就是上面程序1行代码的e变量是null，即新放入的Entry对象指向null，就没有产生Entry链。

 

　　下面我们来看看HashSet:

public class HashSet<E>
    extends AbstractSet<E>
    implements Set<E>, Cloneable, java.io.Serializable
{
    static final long serialVersionUID = -5024744406713321676L;

    private transient HashMap<E,Object> map;

    // Dummy value to associate with an Object in the backing Map
    private static final Object PRESENT = new Object();
    .....
}

　　HashSet的实现非常简单，它只是封装了一个HashMap对象来存储所有的集合元素。所有放入HashSet的集合元素实际上由HashMap的key来保存，而HashMap的value则存储一个PRESENT，它是一个静态的Object对象。HashSET的绝大部分方法都是通过调用HashMap方法来实现的。

 1.3 TreeMap和TreeSet

　　类似于HashMap和HashSet之间的关系，HashSet底层依赖于HashMap实现，TreeSet底层则采用一个NavigableMap来保存TreeSet集合的元素。但实际上，由于NavigableMap只是一个接口，因此底层依然是是使用TreeMap来包含Set集合中的所有元素。

　　对于TreeMap而言，底层采用“红黑树”的排序二叉树来保存Map中的每个Entry。

2.ArrayList与LinkedList

　　在List集合的实现类中，主要有3个实现类：ArrayList、Vector、LinkedList。其中Vector还有一个Stack（栈）子类，这个Stack子类仅在Vector父类的基础上增加了5个方法。

public
class Stack<E> extends Vector<E> {
    /**
     * Creates an empty Stack.
     */无参构造器
    public Stack() {
    }

    /**
     * 进栈*/
    public E push(E item) {
        addElement(item);

        return item;
    }

    /**
     * 出栈*/
    public synchronized E pop() {
        E       obj;
        int     len = size();

        obj = peek();
        removeElementAt(len - 1);

        return obj;
    }

    /**
     * peek瞟一眼，取出最后一个元素，但是并不出栈*/
    public synchronized E peek() {
        int     len = size();

        if (len == 0)
            throw new EmptyStackException();
        return elementAt(len - 1);
    }

    /**
     * 判断是否为空*/
    public boolean empty() {
        return size() == 0;
    }

    /**
     * 元素的到栈顶的距离*/
    public synchronized int search(Object o) {
　　　　 //获取o在集合中的位置
        int i = lastIndexOf(o);

        if (i >= 0) {
　　　　　　　//集合长度减去在集合中的位置，就得到元素的到栈顶的距离
            return size() - i;
        }
        return -1;
    }

    /** use serialVersionUID from JDK 1.0.2 for interoperability */
    private static final long serialVersionUID = 1224463164541339165L;
}

　　可以看到，Stack新增的5个方法中有3个使用了synchronized修饰（那些需要操作集合元素的方法都添加了synchronized修饰），也就是说Stack是一个线程安全的类，这也是为了让Stack与Vector保持一致，Vector也是一个线程安全的类。

　　实际上即使当程序需要栈这种数据结构时，Java也不在推荐Stack类，而是推荐使用Deque实现类。从JDK1.6开始，Java提供了一个Deque接口，并为接口提供了一个ArrayDeque实现类。在无需保证线程安全的情况下，程序完全可以使用ArrayDeque代替Stack类。

　　Deque接口代表双端队列这种数据结构。双端队列已经不再是简单的队列了，它既具有队列的性质先进先出（FIFO），也具有栈的性质(FILO)，也就是说双端队列既是队列，也是栈。ArrayList和ArrayDeque底层都是基于Java数组来实现的。

2.1 Vector和ArrayList的区别

　　Vector和ArrayList这两个集合类的本质并没有太大不同，都实现了List接口，底层都是基于Java数组来存储集合元素。

　　ArrayList的部分源码：

    /**
     * The array buffer into which the elements of the ArrayList are stored.
     * The capacity of the ArrayList is the length of this array buffer. Any
     * empty ArrayList with elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
     * will be expanded to DEFAULT_CAPACITY when the first element is added.
     */
    transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access

Vector的部分源码：

    /**
     * The array buffer into which the components of the vector are
     * stored. The capacity of the vector is the length of this array buffer,
     * and is at least large enough to contain all the vector\'s elements.
     *
     * <p>Any array elements following the last element in the Vector are null.
     *
     * @serial
     */
    protected Object[] elementData;

　　可以看到，ArrayList使用transient修饰了elementData数组。这保证了系统序列化ArrayList对象时不会直接序列化elementData数组，而是通过ArrayList提供的writeObject、readObject来实现定制序列化。除此之外，Vector其实就是ArrayList的线程安全版本。即使需要在多线程环境下使用List集合，依然可以避免使用Vector。Java提供了一个Collections工具类，通过该工具类synchronizedList方法就可将普通ArrayList包装成线程安全的ArrayList。

2.2 ArrayList和LinkedList的实现差异

　　ArrayList是一种顺序存储的线性表，底层使用数组来保存集合元素；LinkedList则是一种链式存储的线性表，其本质上是一个双向链表，而它不仅实现了List接口，还实现了Deque接口，也就是说LinkedList既可以当成双向链表使用，也可以当成队列使用，还可以当成栈来使用。两者的优缺点就是数组和链表的优缺点，就经验来说，ArrayList性能总体上优于LinkedList。

　　当程序需要以get(int index)方法获取List集合指定索引处的元素时，ArrayList性能大大优于LinkedList，LinkedList必须一个个地搜索过去。当程序调用add(int index,Object obj)向List集合中添加元素时，ArrayList必须对底层数组元素进行“整体搬家”，如果添加元素导致集合长度将要超过数组长度，ArrayList必须创建一个为原来长度1.5倍的数组，再由垃圾回收机制回收原有数组，因此开销比较大。

3. Interator迭代器

 　　对于Iterator迭代器而言，它只是一个接口，Java要求各种集合都提供一个iterator()方法，该方法可以返回一个Iterator用于遍历该集合中元素，至于返回的Iterator到底是哪种实现类，程序并不关心，这就是典型的“迭代器模式”。

　　迭代时删除指定元素：由于迭代器只负责对各种集合所包含的元素进行迭代，它自己并没有保留集合元素，因此迭代时，通常不应该删除集合元素，否则将引发ConcurrentModificationException异常。当然，Java里面集合是允许使用Iterator的remove()方法删除刚刚迭代过的元素。

 1 public class Test {  
 2    
 3   
 4     public static void main(String[] args) {  
 5   
 6         List<String> list = new ArrayList<String>();
 7         list.add("1");
 8         list.add("2");
 9         list.add("3");
10         Iterator<String> it = list.iterator();
11         while(it.hasNext()){
12             String temp = it.next();
13             it.remove();
14         }
15     }
16 } 

　　此程序无问题，但是注意第十三行删除时，必须执行了十二行。