Java 基础 - 各项集合实现

• 集合类的基本接口是：Collection

public interface Collection<E>{
        // 集合改变返回 true，否则返回 false
        boolean add();
        boolean addAll();
        // 返回一个迭代器
        Iterator<E> iterator();
        int size();
        boolean isEmpty();
        // 集合中包含了和 obj 相等的对象，那么返回 true
        boolean contains(Object obj);
        // 如果集合中包含 other 集合中的所有元素，那么返回 true
        boolean containsAll(Collect<?> other);
        // 从这个集合中删除等于 obj 的对象，如果有匹配的对象，返回 true
        boolean remove(Object obj);
        // 从这个集合中删除 other 中存在的元素，如果这个调用改变了集合，那么返回 true
        boolean removeAll(Collect<?> other);
        void clear();
        // 从这个集合中删除所有与 other 这个集合中的元素不同的元素，如果这个调用改变了集合，那么返回 true
        boolean retainAll(Collection<?> other);
        Object[] toArray();
        <T> T[] toArray(T[] a);
        
    }
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• 迭代器

public interface Iterator<E>{
        // 反复调用，可以逐个访问集合中的每个元素(配合 hasNext()  这个方法)
        E next();
        boolean hasNext();
        // 删除上次调用 next() 返回的元素,没有调用 next() 方法，调用 remove() 则会报 IllegalStateException 异常
        void remove();
    }
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• 迭代器的用法
  • 用法 1

  Collection<String> c = ....;
      Iterator<String> iterator = c.iterator();
      while(iterator.hasNext()){
          String element = iterator.next();
          iterator.remove();
          // todo something
      }
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  • 用法 2：java SE 5.0 之后的写法，for each 循环操作

  Collection<String> c = ....;
      for(String element : c){
          // todo something
      }
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  “for each” 循环可以与任何实现了 Iterable 接口的对象一起工作

集合概览图

具体的集合实现

ArrayList

简介

• 继承于 AbstractList，实现了 List，是一个数组队列，提供添加、删除、修改、遍历的功能
• 实现了 RandomAccess 接口，提供随机访问的功能
• 实现了 Cloneable 接口，提供了克隆功能
• 实现了 java.io.Serializable 接口，提供序列化功能

定义

java.lang.Object
   ↳     java.util.AbstractCollection<E>
         ↳     java.util.AbstractList<E>
               ↳     java.util.ArrayList<E>

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {}
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特性

• 关于 ArrayList 是线程不安全的，那么 ArrayList 只能在单线程中使用，如果需要多线程使用的话，那么可以使用 Vector 。或者是以下方式

// 将其包装成线程安全
    List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList());
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• ArrayList 是一个动态数组队列，它能高效的随机访问元素和顺序遍历，但对于插入和删除效率会比较低，因为需要涉及到数组的移动。

扩容

• ArrayList 是一个动态的数组，那么一开始数组的大小是固定的（默认的话为 10），当向 ArrayList 中插入某个数组时，size 的值刚好为容量的大小，那么就会触发扩容的操作。扩容的方式是重新创建一个新的数组，拷贝原来的数据到新的数组中，并将新的元素插入到新的数组中，旧的数组则会被垃圾回收。
• 默认容量：10
• 扩容规则

  • JDK 1.6 及之前

    int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1;
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  • JDK 1.7 及之后

    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
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  • JDK 1.8

    private void grow(int minCapacity) {
        // overflow-conscious code
        int oldCapacity = elementData.length;
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
         newCapacity = minCapacity;
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
        // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }
    
    private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
     if (minCapacity < 0) // overflow
            throw new OutOfMemoryError();
        return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
        Integer.MAX_VALUE :
        MAX_ARRAY_SIZE;
    }
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toArray()

• 2 种实现

Object[] toArray()
        <T> T[] toArray(T[] contents)
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• 关于 “java.lang.ClassCastException”异常 toArray() 会抛出异常是因为 toArray() 返回的是 Object[] 数组，将 Object[] 转换为其它类型(如如，将Object[]转换为的Integer[])则会抛出“java.lang.ClassCastException”异常，因为 Java 不支持向下转型。
• 关于转换为数组的方式

// toArray(T[] contents)调用方式一
public static Integer[] vectorToArray1(ArrayList<Integer> v) {
    Integer[] newText = new Integer[v.size()];
    v.toArray(newText);
    return newText;
}
// toArray(T[] contents)调用方式二。最常用！
public static Integer[] vectorToArray2(ArrayList<Integer> v) {
    Integer[] newText = (Integer[])v.toArray(new Integer[0]);
    return newText;
}
// toArray(T[] contents)调用方式三
public static Integer[] vectorToArray3(ArrayList<Integer> v) {
    Integer[] newText = new Integer[v.size()];
    Integer[] newStrings = (Integer[])v.toArray(newText);
    return newStrings;
}
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注意点

• 多线程的话不使用 ArrayList，而是使用 Vector。

LinkedList

一种可以在任意位置进行高效插入及删除的操作的有序序列

简介

• 继承了 AbstractSequentialList 的双向链表，因此 LinkedList 是可以被当做堆栈、列表和双端列表进行操作
• 实现 List 接口，进行队列的操作
• 实现 Cloneable 接口，可以进行克隆操作
• 实现 Deque 接口，可以进行双端队列操作
• 实现 java.io.Serializable 接口，可以实现序列化
• 非同步的

定义

java.lang.Object
   ↳     java.util.AbstractCollection<E>
         ↳     java.util.AbstractList<E>
               ↳     java.util.AbstractSequentialList<E>
                     ↳     java.util.LinkedList<E>
                     
public class LinkedList<E>
        extends AbstractSequentialList<E>
        implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
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特性

• 顺序访问的效率高，但是随机访问的效率比较低
• 删除及添加的操作效率高
• 不同步（线程不安全）

将LinkedList当作 LIFO(后进先出)的堆栈示例

public static void useLinkedListAsLIFO() {
        System.out.println("\nuseLinkedListAsLIFO");
        // 新建一个LinkedList
        LinkedList stack = new LinkedList();

        // 将1,2,3,4添加到堆栈中
        stack.push("1");
        stack.push("2");
        stack.push("3");
        stack.push("4");
        // 打印“栈”
        System.out.println("stack:"+stack);

        // 删除“栈顶元素”
        System.out.println("stack.pop():"+stack.pop());
        
        // 取出“栈顶元素”
        System.out.println("stack.peek():"+stack.peek());

        // 打印“栈”
        System.out.println("stack:"+stack);
    }
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将LinkedList当作 FIFO(先进先出)的队列

public static void useLinkedListAsFIFO() {
        System.out.println("\nuseLinkedListAsFIFO");
        // 新建一个LinkedList
        LinkedList queue = new LinkedList();

        // 将10,20,30,40添加到队列。每次都是插入到末尾
        queue.add("10");
        queue.add("20");
        queue.add("30");
        queue.add("40");
        // 打印“队列”
        System.out.println("queue:"+queue);

        // 删除(队列的第一个元素)
        System.out.println("queue.remove():"+queue.remove());
    
        // 读取(队列的第一个元素)
        System.out.println("queue.element():"+queue.element());

        // 打印“队列”
        System.out.println("queue:"+queue);
    }
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HashMap（JDK 1.7 及之前）

简介

HashMap 它是基于 hash 表的 Map 接口实现，以 key-value 的形式存在的，HashMap 总是以 key-value 的形式存在的，系统会通过计算 key 的 hash 值来定位 key-value 的存储位置的，我们可以快速的通过 key 来存取 value;

定义

public class HashMap<K,V>
        extends AbstractMap<K,V>
        implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable
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数据结构

关于 HashMap 的数据结构，底层的话还是数组的，只不过数组的每一项就是一个链表

构造函数的源码

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
            //初始容量不能<0
            if (initialCapacity < 0)
                throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: "
                        + initialCapacity);
            //初始容量不能 > 最大容量值，HashMap的最大容量值为2^30
            if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
                initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
            //负载因子不能 < 0
            if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
                throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: "
                        + loadFactor);

            // 计算出大于 initialCapacity 的最小的 2 的 n 次方值。
            int capacity = 1;
            while (capacity < initialCapacity)
                capacity <<= 1;

            this.loadFactor = loadFactor;
            //设置HashMap的容量极限，当HashMap的容量达到该极限时就会进行扩容操作
            threshold = (int) (capacity * loadFactor);
            //初始化table数组
            table = new Entry[capacity];
            init();
        }
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Entry 的源码

static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
            final K key;
            V value;
            Entry<K,V> next;
            final int hash;

            /**
             * Creates new entry.
             */
            Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
                value = v;
                next = n;
                key = k;
                hash = h;
            }
            .......
        }
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Entry 是 HashMap 的内部类，其中包含了 key，value 和 下一个 Entry，以及 hash 值，正因为有这下才构成了数组的项为一个列表。

容量、加载因子、临界值及哈希冲突

• 容量 ：table 数组的大小，一般默认为 16

static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
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• 加载因子 ：表示 table 数组的饱和程度
  • 加载因子越大,填满的元素越多,空间利用率越高，但冲突的机会加大了。 反之;
  • 加载因子越小,填满的元素越少,冲突的机会减小,但空间浪费多了。
• 临界值 ：
  • 为了避免造成哈希冲突率，那么当 HashMap 的数组长度达到一个临界值的时候就会触发扩容，把所有的元素重新计算 hash 值，再放到扩容后的容器中，这是一个比较耗时的操作。
    • 临界值由加载因子及当前的容量来决定，默认情况下 16*0.75=12 就会触发扩容

  DEFAULT_INITIAL_CAPACITY*DEFAULT_LOAD_FACTOR
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哈希冲突

在关键字的 hash 地址上已经有了记录，那么这就是哈希冲突
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• 解决冲突的方法
  • 开放定址法
  • 再哈希法
  • 建立一个公共溢出区
  • 链地址法（拉链法）

存储实现：put(key,value)

public V put(K key, V value) {
            //当key为null，调用putForNullKey方法，保存null与table第一个位置中，这是HashMap允许为null的原因
            if (key == null)
                return putForNullKey(value);
            //计算key的hash值
            int hash = hash(key.hashCode());                   ------(1)
            //计算key hash 值在 table 数组中的位置
            int i = indexFor(hash, table.length);             ------(2)
            //从i出开始迭代 e,找到 key 保存的位置
            for (Entry<K, V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
                Object k;
                //判断该条链上是否有hash值相同的(key相同)
                //若存在相同，则直接覆盖value，返回旧value
                if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
                    V oldValue = e.value;    //旧值 = 新值
                    e.value = value;
                    e.recordAccess(this);
                    return oldValue;     //返回旧值
                }
            }
            //修改次数增加1
            modCount++;
            //将 key、value 添加至i位置处
            addEntry(hash, key, value, i);
            return null;
        }
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（1）处代码实现：技术 hash 值

static int hash(int h) {
            h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
            return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
        }
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（2）处代码实现：根据 hash 值计算出 key 在 table 数组中所对应的位置

static int indexFor(int h, int length) {
            return h & (length-1);
        }
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（3）将节点插入表头

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
            //获取bucketIndex处的Entry
            Entry<K, V> e = table[bucketIndex];
            //将新创建的 Entry 放入 bucketIndex 索引处，并让新的 Entry 指向原来的 Entry 
            table[bucketIndex] = new Entry<K, V>(hash, key, value, e);
            //若HashMap中元素的个数超过极限了，则容量扩大两倍
            if (size++ >= threshold)
                resize(2 * table.length);
        }
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存储步骤：

• step 1：判断 key 是否为 null，若为 null，那么直接调用 putForNullKey 方法（table[0] 的数组项），否则进入 step2；
• step 2：计算 key 的 hash 值
• step 3：计算 key 的 hash 值在 table 数组中的位置 index
• step 4：在 table[index] 项中迭代，找出 key 的存储位置，如果存在则替换就的值，并将旧的值返回，如果不存在对应的 key 的存储位置，则进入 step5;
• step 5：将 key-value 放在 table[index] 的链表头

扩容问题

随着 HashMap 中的元素越来越多，发生 hash 冲突的概率越来越大，链表的长度越来越长，查找的效率就越来越低；这样我们就必须在 HashMap 的某个临界值进行扩容处理。扩容的方式：重新创建一个新的 table 数组，重新计算 key 的 hash 值，并放入新的 table 数组中，这样的操作是比较耗时的，如果我们能够预知 HashMap 中的大小时，我们可以指定 HashMap 中的元素个数。

• 读取实现：get(key) 通过 key 的 hash 值找到在 table 数组中的索引处的 Entry，然后返回该 key 对应的 value 即可。

public V get(Object key) {
            // 若为null，调用getForNullKey方法返回相对应的value
            if (key == null)
                return getForNullKey();
            // 根据该 key 的 hashCode 值计算它的 hash 码  
            int hash = hash(key.hashCode());
            // 取出 table 数组中指定索引处的值
            for (Entry<K, V> e = table[indexFor(hash, table.length)]; e != null; e = e.next) {
                Object k;
                //若搜索的key与查找的key相同，则返回相对应的value
                if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))
                    return e.value;
            }
            return null;
        }
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HashMap 非同步

HashMap 是线程不安全的，我们可以通过 Collections 的静态方法 SynchronizedMap 来获取线程安全的 HashMap

Map map = Collections.SynchronizedMap(new HashMap<>();
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LinkedHashMap

介绍

• LinkedHashMap 是 HashMap 的子类，因此 LinkedHashMap 拥有 HashMap 中的所有特性，但是 HashMap 的迭代是没有顺序的。LinkedHashMap 通过维护一个双链表来保证迭代的顺序（ 插入顺序或者访问顺序 ），但是同时也增加了时间和空间的开销。

数据结构

• HashMap(数组+链表)+双链表

双链表

``
/**
 * HashMap.Node subclass for normal LinkedHashMap entries.
 */
static class LinkedHashMapEntry<K,V> extends HashMap.Node<K,V> {
    LinkedHashMapEntry<K,V> before, after;
    LinkedHashMapEntry(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
        super(hash, key, value, next);
    }
}

```
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重要变量

• head：双链表头部，保存最早插入的元素。
• tail：双链表的尾部，保存最近插入的元素。
• accessOrder：访问顺序（true：访问顺序迭代；false：插入顺序迭代）

重要函数

// Callbacks to allow LinkedHashMap post-actions
    // 访问元素之后
    void afterNodeAccess(Node<K,V> p) { }
    // 插入节点之后
    void afterNodeInsertion(boolean evict) { }
    // 删除节点之后
    void afterNodeRemoval(Node<K,V> p) { }
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HashMap 和 HashTable 的区别

HashTable 和 HashMap 都实现了 Map 接口，他们的主要区别在于线程安全、速度。

• HashMap 可以接受 key 为 null，HashTable 不可以接受 key 为 null
• HashMap 是线程不安全（非 synchronize），HashTable 是线程安全的（synchronize)。synchronize 代表着每一次在一个线程中修改 HashTable 中的数据时，都需要获得同步锁，其他的线程要修改 HashTable 中的数据时，需要等待同步锁被释放才能进行。
• HashMap 的迭代器是 Iterator，HashTable 的迭代器是 enumerator。
• 在单线程的操作中，HashMap 的操作速度要比 HashTable 快，因为 HashTable 是 synchronize 的，所以会有同步锁的获取和释放过程。