详解java中的数据结构

Posted 2020-10-08

　　线性表，链表，哈希表是常用的数据结构，在进行Java开发时，JDK已经为我们提供了一系列相应的类来实现基本的数据结构。这些类均在java.util包中。本文试图通过简单的描述，向读者阐述各个类的作用以及如何正确使用这些类。

 

Collection

├List

│├LinkedList

│├ArrayList

│└Vector

│　└Stack

└Set

Map

├Hashtable

├HashMap

└WeakHashMap

 

Collection接口

　　Collection是最基本的集合接口，一个Collection代表一组Object，即Collection的元素（Elements）。一些Collection允许相同的元素而另一些不行。一些能排序而另一些不行。Java SDK不提供直接继承自Collection的类，Java SDK提供的类都是继承自Collection的“子接口”如List和Set。

　　所有实现Collection接口的类都必须提供两个标准的构造函数：无参数的构造函数用于创建一个空的Collection，有一个Collection参数的构造函数用于创建一个新的Collection，这个新的Collection与传入的Collection有相同的元素。后一个构造函数允许用户复制一个Collection。

　　如何遍历Collection中的每一个元素？不论Collection的实际类型如何，它都支持一个iterator()的方法，该方法返回一个迭代子，使用该迭代子即可逐一访问Collection中每一个元素。典型的用法如下：

Iterator it = collection.iterator(); // 获得一个迭代子  
while(it.hasNext()) {  
    Object obj = it.next(); // 得到下一个元素  
}

　　由Collection接口派生的两个接口是List和Set。

　　主要方法：

• boolean add(Object o)添加对象到集合
• boolean remove(Object o)删除指定的对象
• int size()返回当前集合中元素的数量
• boolean contains(Object o)查找集合中是否有指定的对象
• boolean isEmpty()判断集合是否为空
• Iterator iterator()返回一个迭代器
• boolean containsAll(Collection c)查找集合中是否有集合c中的元素
• boolean addAll(Collection c)将集合c中所有的元素添加给该集合
• void clear()删除集合中所有元素
• void removeAll(Collection c)从集合中删除c集合中也有的元素
• void retainAll(Collection c)从集合中删除集合c中不包含的元素

List接口

　　List是有序的Collection，使用此接口能够精确的控制每个元素插入的位置。用户能够使用索引（元素在List中的位置，类似于数组下标）来访问List中的元素，这类似于Java的数组。

　　和下面要提到的Set不同，List允许有相同的元素。

　　除了具有Collection接口必备的iterator()方法外，List还提供一个listIterator()方法，返回一个ListIterator接口，和标准的Iterator接口相比，ListIterator多了一些add()之类的方法，允许添加，删除，设定元素，还能向前或向后遍历。

　　实现List接口的常用类有LinkedList，ArrayList，Vector和Stack。

　　主要方法：

• void add(int index,Object element)在指定位置上添加一个对象
• boolean addAll(int index,Collection c)将集合c的元素添加到指定的位置
• Object get(int index)返回List中指定位置的元素
• int indexOf(Object o)返回第一个出现元素o的位置
  
• Object removeint(int index)删除指定位置的元素
• Object set(int index,Object element)用元素element取代位置index上的元素，返回被取代的元素

LinkedList类

　　LinkedList实现了List接口，允许null元素。此外LinkedList提供额外的get，remove，insert方法在LinkedList的首部或尾部。这些操作使LinkedList可被用作堆栈（stack），队列（queue）或双向队列（deque）。

　　注意LinkedList没有同步方法。如果多个线程同时访问一个List，则必须自己实现访问同步。一种解决方法是在创建List时构造一个同步的List：

List list = Collections.synchronizedList(new LinkedList(...)); 

ArrayList类

　　ArrayList实现了可变大小的数组。它允许所有元素，包括null。ArrayList没有同步。

　　size，isEmpty，get，set方法运行时间为常数。但是add方法开销为分摊的常数，添加n个元素需要O(n)的时间。其他的方法运行时间为线性。

　　每个ArrayList实例都有一个容量（Capacity），即用于存储元素的数组的大小。这个容量可随着不断添加新元素而自动增加，但是增长算法并没有定义。当需要插入大量元素时，在插入前可以调用ensureCapacity方法来增加ArrayList的容量以提高插入效率。

　　和LinkedList一样，ArrayList也是非同步的（unsynchronized）。

　　主要方法：

• Boolean add(Object o)将指定元素添加到列表的末尾
• Boolean add(int index,Object element)在列表中指定位置加入指定元素
• Boolean addAll(Collection c)将指定集合添加到列表末尾
• Boolean addAll(int index,Collection c)在列表中指定位置加入指定集合
• Boolean clear()删除列表中所有元素
• Boolean clone()返回该列表实例的一个拷贝
• Boolean contains(Object o)判断列表中是否包含元素
• Boolean ensureCapacity(int m)增加列表的容量，如果必须，该列表能够容纳m个元素
• Object get(int index)返回列表中指定位置的元素
• Int indexOf(Object elem)在列表中查找指定元素的下标
• Int size()返回当前列表的元素个数

Vector类

　　Vector非常类似ArrayList，但是Vector是同步的。

　　由Vector创建的Iterator，虽然和ArrayList创建的Iterator是同一接口，但是，因为Vector是同步的，当一个Iterator被创建而且正在被使用，另一个线程改变了Vector的状态（例如，添加或删除了一些元素），这时调用Iterator的方法时将抛出ConcurrentModificationException，因此必须捕获该异常。

Stack 类

　　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接口

　　Set是一种不包含重复的元素的Collection，即任意的两个元素e1和e2都有e1.equals(e2)=false，Set最多有一个null元素。

　　很明显，Set的构造函数有一个约束条件，传入的Collection参数不能包含重复的元素。

　　请注意：必须小心操作可变对象（Mutable Object）。如果一个Set中的可变元素改变了自身状态导致Object.equals(Object)=true将导致一些问题。

Map接口

　　请注意，Map没有继承Collection接口，Map提供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。Map接口提供3种集合的视图，Map的内容可以被当作一组key集合，一组value集合，或者一组key-value映射。

　　Map用于保存具有映射关系的数据，Map里保存着两组数据：key和value，它们都可以使任何引用类型的数据，但key不能重复。所以通过指定的key就可以取出对应的value。Map接口定义了如下常用的方法：

• boolean equals(Object o)比较对象
• boolean remove(Object o)删除一个对象
• put(Object key,Object value)添加key和value

• 1、void clear():删除Map中所以键值对。

  2、boolean containsKey(Object key):查询Map中是否包含指定key，如果包含则返回true。

  3、boolean containsValue(Object value):查询Map中是否包含指定value，如果包含则返回true。

  4、Set entrySet():返回Map中所包含的键值对所组成的Set集合，每个集合元素都是Map.Entry对象(Entry是Map的内部类)。

  5、Object get(Object key):返回指定key所对应的value，如Map中不包含key则返回null。

  6、boolean isEmpty():查询Map是否为空，如果空则返回true。

  7、Set keySet():返回该Map中所有key所组成的set集合。

  8、Object put(Object key,Object value):添加一个键值对，如果已有一个相同的key值则新的键值对覆盖旧的键值对。

  9、void putAll(Map m):将指定Map中的键值对复制到Map中。

  10、Object remove(Object key):删除指定key所对应的键值对，返回可以所关联的value，如果key不存在，返回null。

  11、int size():返回该Map里的键值对的个数。

  12、Collection values():返回该Map里所有value组成的Collection。

  Map中包含一个内部类：Entry。该类封装了一个键值对，它包含了三个方法：

  1、Object getKey():返回该Entry里包含的key值。

  2、Object getValeu():返回该Entry里包含的value值。

  3、Object setValue(V value):设置该Entry里包含的value值，并返回新设置的value值。

Hashtable类

　　Hashtable继承Map接口，实现一个key-value映射的哈希表。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。

　　Hashtable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。

　　使用Hashtable的简单示例如下，将1，2，3放到Hashtable中，他们的key分别是”one”，”two”，”three”：

Hashtable numbers = new Hashtable();  
numbers.put(“one”, new Integer(1));  
numbers.put(“two”, new Integer(2));  
numbers.put(“three”, new Integer(3)); 

　　要取出一个数，比如2，用相应的key：

Integer n = (Integer)numbers.get(“two”);

　　由于作为key的对象将通过计算其散列函数来确定与之对应的value的位置，因此任何作为key的对象都必须实现hashCode和equals方法。hashCode和equals方法继承自根类Object，如果你用自定义的类当作key的话，要相当小心，按照散列函数的定义，如果两个对象相同，即obj1.equals(obj2)=true，则它们的hashCode必须相同，但如果两个对象不同，则它们的hashCode不一定不同，如果两个不同对象的hashCode相同，这种现象称为冲突，冲突会导致操作哈希表的时间开销增大，所以尽量定义好的hashCode()方法，能加快哈希表的操作。

　　如果相同的对象有不同的hashCode，对哈希表的操作会出现意想不到的结果（期待的get方法返回null），要避免这种问题，只需要牢记一条：要同时复写equals方法和hashCode方法，而不要只写其中一个。

　　Hashtable是同步的。

HashMap类

　　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。

HashMap与HashTable的区别：

　　1、 同步性：Hashtable是同步的，这个类中的一些方法保证了Hashtable中的对象是线程安全的。而HashMap则是异步的，因此HashMap中的对象并不是线程安全的。因为同步的要求会影响执行的效率，所以如果你不需要线程安全的集合那么使用HashMap是一个很好的选择，这样可以避免由于同步带来的不必要的性能开销，从而提高效率。

　　2、 值：HashMap可以让你将空值作为一个表的条目的key或value，但是Hashtable是不能放入空值的。HashMap最多只有一个key值为null，但可以有无数多个value值为null。

　　注意：

　　1、用作key的对象必须实现hashCode和equals方法。

　　2、不能保证其中的键值对的顺序

　　3、尽量不要使用可变对象作为它们的key值。

WeakHashMap类

　　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。

　　WeakHashMap与HashMap的用法基本相同，区别在于：后者的key保留对象的强引用，即只要HashMap对象不被销毁，其对象所有key所引用的对象不会被垃圾回收，HashMap也不会自动删除这些key所对应的键值对对象。但WeakHashMap的key所引用的对象没有被其他强引用变量所引用，则这些key所引用的对象可能被回收。WeakHashMap中的每个key对象保存了实际对象的弱引用，当回收了该key所对应的实际对象后，WeakHashMap会自动删除该key所对应的键值对。

public static void main(String[] args) {
    WeakHashMap w1=new WeakHashMap();
    //添加三个键值对，三个key都是匿名字符串，没有其他引用
    w1.put("语文", "良好");
    w1.put("数学", "及格");
    w1.put("英语", "中等");
    w1.put("java", "good");//该key是一个系统缓存的字符串对象
    System.out.println(w1 );//输出{java=good, 数学=及格, 英语=中等, 语文=良好}
    //通知系统进行垃圾回收
    System.gc();
    System.runFinalization();
    System.out.println(w1 );//输出{java=good}，没有其他引用的键值对都被回收
}

TreeMap：

　　Map接口派生了一个SortMap子接口，SortMap的实现类为TreeMap。TreeMap也是基于红黑树对所有的key进行排序，有两种排序方式：自然排序和定制排序。

　　Treemap的key以TreeSet的形式存储，对key的要求与TreeSet对元素的要求基本一致。

　　1、Map.Entry firstEntry():返回最小key所对应的键值对，如Map为空，则返回null。

　　2、Object firstKey():返回最小key，如果为空，则返回null。

　　3、Map.Entry lastEntry():返回最大key所对应的键值对，如Map为空，则返回null。

　　4、Object lastKey():返回最大key，如果为空，则返回null。

　　5、Map.Entry higherEntry(Object key):返回位于key后一位的键值对，如果为空，则返回null。

　　6、Map.Entry lowerEntry(Object key):返回位于key前一位的键值对，如果为空，则返回null。

　　7、Object lowerKey(Object key):返回位于key前一位key值，如果为空，则返回null。

　　8、NavigableMap subMap(Object fromKey,boolean fromlnclusive,Object toKey,boolean toInciusive):返回该Map的子Map，其key范围从fromKey到toKey。

　　9、SortMap subMap(Object fromKey,Object toKey );返回该Map的子Map，其key范围从fromkey（包括）到tokey（不包括）。

　　10、SortMap tailMap（Object fromkey ,boolean inclusive）:返回该Map的子Map，其key范围大于fromkey（是否包括取决于第二个参数）的所有key。

　　11、 SortMap headMap（Object tokey ,boolean inclusive）:返回该Map的子Map，其key范围小于tokey（是否包括取决于第二个参数）的所有key。

总结

　　如果涉及到堆栈，队列等操作，应该考虑用List，对于需要快速插入，删除元素，应该使用LinkedList，如果需要快速随机访问元素，应该使用ArrayList。

　　如果程序在单线程环境中，或者访问仅仅在一个线程中进行，考虑非同步的类，其效率较高，如果多个线程可能同时操作一个类，应该使用同步的类。

　　要特别注意对哈希表的操作，作为key的对象要正确复写equals和hashCode方法。

　　尽量返回接口而非实际的类型，如返回List而非ArrayList，这样如果以后需要将ArrayList换成LinkedList时，客户端代码不用改变。这就是针对抽象编程。