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一、概览
容器主要包括 Collection 和 Map 两种，Collection 又包含了 List、Set 以及 Queue。
Collection
1. Set
-
HashSet：基于 Hash 实现，支持快速查找，但是失去有序性；
-
TreeSet：基于红黑树实现，保持有序，但是查找效率不如 HashSet；
-
LinkedHashSet：具有 HashSet 的查找效率，且内部使用链表维护元素的插入顺序，因此具有有序性。
2. List
-
ArrayList：基于动态数组实现，支持随机访问；
-
LinkedList：基于双向循环链表实现，只能顺序访问，但是可以快速地在链表中间插入和删除元素。不仅如此，LinkedList 还可以用作栈、队列和双端队列。
3. Queue
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LinkedList：可以用它来支持双向队列；
-
PriorityQueue 是基于堆结构实现，可以用它来实现优先级队列。
Map
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HashMap：基于 Hash 实现。
-
LinkedHashMap：使用链表来维护元素的顺序，顺序为插入顺序或者最近最少使用（LRU）顺序。
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TreeMap：基于红黑树实现。
Java 1.0/1.1 容器
对于旧的容器，我们决不应该使用它们，只需要对它们进行了解。
-
Vector：和 ArrayList 类似，但它是线程安全的。
-
HashTable：和 HashMap 类似，但它是线程安全的。
二、容器中的设计模式
迭代器模式
Collection 实现了 Iterable 接口，其中的 iterator() 方法能够产生一个 Iterator 对象，通过这个对象就可以迭代遍历 Collection 中的元素。
从 JDK 5 之后可以使用 foreach 方法来遍历实现了 Iterable 接口的聚合对象。
List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("a");
list.add("b");
for (String item : list) {
System.out.println(item);
}
适配器模式
java.util.Arrays#asList() 可以把数组类型转换为 List 类型。
List list = Arrays.asList(1, 2, 3);
int[] arr = {1, 2, 3};
list = Arrays.asList(arr);
三、散列
hasCode() 返回散列值，使用的是对象的地址。
而 equals() 是用来判断两个对象是否相等的，相等的两个对象散列值一定要相同，但是散列值相同的两个对象不一定相等。
相等必须满足以下五个性质：
1. 自反性
x.equals(x); // true
2. 对称性
x.equals(y) == y.equals(x) // true
3. 传递性
if x.equals(y) && y.equals(z) {
x.equals(z); // true;
}
4. 一致性
多次调用 equals() 方法结果不变
x.equals(y) == x.equals(y); // true
5. 与 null 的比较
对任何不是 null 的对象 x 调用 x.equals(null) 结果都为 false
x.euqals(null); // false;
四、源码分析
建议先阅读 算法-查找 部分，对容器类源码的理解有很大帮助。
源码下载：OpenJDK 1.7
ArrayList
1. 概览
实现了 RandomAccess 接口，因此支持随机访问，这是理所当然的，因为 ArrayList 是基于数组实现的。
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
基于数组实现，保存元素的数组使用 transient 修饰，该关键字声明数组默认不会被序列化。这是 ArrayList 具有动态扩容特性，因此保存元素的数组不一定都会被使用，那么就没必要全部进行序列化。ArrayList 重写了 writeObject() 和 readObject() 来控制只序列化数组中有元素填充那么部分内容。
private transient Object[] elementData;
数组的默认大小为 10。
public ArrayList(int initialCapacity) {
super();
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+ initialCapacity);
this.elementData = new Object[initialCapacity];
}
public ArrayList() {
this(10);
}
删除元素时调用 System.arraycopy() 对元素进行复制，因此删除操作成本很高。
public E remove(int index) {
rangeCheck(index);
modCount++;
E oldValue = elementData(index);
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
elementData[--size] = null; // Let gc do its work
return oldValue;
}
添加元素时使用 ensureCapacity() 方法来保证容量足够，如果不够时，需要使用 grow() 方法进行扩容，使得新容量为旧容量的 1.5 倍（oldCapacity + (oldCapacity >> 1))。扩容操作需要把原数组整个复制到新数组中，因此最好在创建 ArrayList 对象时就指定大概的容量大小，减少扩容操作的次数。
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
modCount++;
// overflow-conscious code
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}
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;
}
2. Fail-Fast
modCount 用来记录 ArrayList 结构发生变化的次数。结构发生变化是指添加或者删除至少一个元素的所有操作，或者是调整内部数组的大小，仅仅只是设置元素的值不算结构发生变化。
在进行序列化或者迭代等操作时，需要比较操作前后 modCount 是否改变，如果改变了需要抛出 ConcurrentModificationException。
private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s) throws java.io.IOException {
// Write out element count, and any hidden stuff
int expectedModCount = modCount;
s.defaultWriteObject();
// Write out array length
s.writeInt(elementData.length);
// Write out all elements in the proper order.
for (int i = 0; i < size; i++)
s.writeObject(elementData[i]);
if (modCount != expectedModCount) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
3. 和 Vector 的区别
- Vector 和 ArrayList 几乎是完全相同的，唯一的区别在于 Vector 是同步的，因此开销就比 ArrayList 要大，访问速度更慢。最好使用 ArrayList 而不是 Vector，因为同步操作完全可以由程序员自己来控制；
- Vector 每次扩容请求其大小的 2 倍空间，而 ArrayList 是 1.5 倍。
为了获得线程安全的 ArrayList，可以调用 Collections.synchronizedList(new ArrayList<>()); 返回一个线程安全的 ArrayList，也可以使用 concurrent 并发包下的 CopyOnWriteArrayList 类；
4. 和 LinkedList 的区别
- ArrayList 基于动态数组实现，LinkedList 基于双向循环链表实现；
- ArrayList 支持随机访问，LinkedList 不支持；
- LinkedList 在任意位置添加删除元素更快。
Vector
LinkedList
TreeMap
HashMap
1. 基本数据结构
使用拉链法来解决冲突，内部包含了一个 Entry 类型的数组 table，数组中的每个位置被当成一个桶。
transient Entry[] table;
其中，Entry 就是存储数据的键值对，它包含了四个字段。从 next 字段我们可以看出 Entry 是一个链表，即每个桶会存放一个链表。
2. 拉链法的工作原理
HashMap<String, Integer> map = new HashMap<>(); // 默认大小为 16
map.put("sachin", 30);
map.put("vishal", 20);
map.put("vaibhav", 20);
- 计算 "sachin" 的 hashcode 为 115，使用除留余数法得到 115 % 16 = 3，因此 ("sachin", 30) 键值对放到第 3 个桶上。
- 同样得到 ("vishal", 20) 和 ("vaibhav", 20) 都应该放到第 6 个桶上。("vishal", 20) 先放入， ("vaibhav", 20) 链接到 ("vishal", 20) 之后。
当进行查找时，需要分成两步进行，第一步是先根据 hashcode 计算出所在的桶，第二步是在链表上顺序查找。由于 table 是数组形式的，具有随机读取的特性，因此第一步的时间复杂度为 O(1)，而第二步需要在链表上顺序查找，时间复杂度显然和链表的长度成正比。
3. 扩容
设 HashMap 的 table 长度为 M，需要存储的键值对数量为 N，如果哈希函数满足均匀性的要求，那么每条链表的长度大约为 N/M，因此平均查找次数的数量级为 O(N/M)。
为了让查找的成本降低，应该尽可能使得 N/M 尽可能小，因此需要保证 M 尽可能大，可就是说 table 要尽可能大。HashMap 采用动态扩容来根据当前的 N 值来调整 M 值，使得空间效率和时间效率都能得到保证。
和扩容相关的参数主要有：capacity、size、threshold 和 load_factor。
| 参数 | 含义 |
|---|---|
| capacity | table 的容量大小，默认为 16，需要注意的是 capacity 必须保证为 2 的次方。 |
| size | table 的实际使用量。 |
| threshold | size 的临界值，size 必须小于 threshold，如果大于等于，就必须进行扩容操作。 |
| load_factor | table 能够使用的比例，threshold = capacity * load_factor。 |
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
transient Entry[] table;
transient int size;
int threshold;
final float loadFactor;
transient int modCount;
从下面的添加元素代码中可以看出，当需要扩容时，令 capacity 为原来的两倍。
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
if (size++ >= threshold)
resize(2 * table.length);
}
扩容使用 resize() 实现，需要注意的是，扩容操作同样需要把旧 table 的所有键值对重新插入新的 table 中，因此这一步是很费时的。
void resize(int newCapacity) {
Entry[] oldTable = table;
int oldCapacity = oldTable.length;
if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return;
}
Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
transfer(newTable);
table = newTable;
threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
}
void transfer(Entry[] newTable) {
Entry[] src = table;
int newCapacity = newTable.length;
for (int j = 0; j < src.length; j++) {
Entry<K,V> e = src[j];
if (e != null) {
src[j] = null;
do {
Entry<K,V> next = e.next;
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
e = next;
} while (e != null);
}
}
}
4. capacity 保证为 2 的幂次方
令 x = 1<<4，即 x 为 2 的 4 次方，它具有以下性质：
x : 00010000
x-1 : 00001111
令一个数 y 与 x-1 做与运算，可以去除 y 位级表示的第 4 位以上数：
y : 10110010
x-1 : 00001111
y&(x-1) : 00000010
这个性质和 y 对 x 取模式一样的：
x : 00010000
y : 10110010
y%x : 00000010
我们知道，位运算的代价比求模运算小的多，因此在进行这种计算时能用位运算的话能带来更高的性能。
拉链法需要使用除留余数法来得到桶下标，也就是需要进行以下计算：hash%capacity，如果能保证 capacity 为 2 的幂次方，那么就可以将这个操作转换位位运算。
static int indexFor(int h, int length) {
return h & (length-1);
}
5. null 值
get() 操作需要分成两种情况，key 为 null 和不为 null，从中可以看出 HashMap 允许插入 null 作为键。
public V get(Object key) {
if (key == null)
return getForNullKey();
int hash = hash(key.hashCode());
for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)]; e != null; e = e.next) {
Object k;
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))
return e.value;
}
return null;
}
put() 操作也需要根据 key 是否为 null 做不同的处理，需要注意的是如果本来没有 key 为 null 的键值对，新插入一个 key 为 null 的键值对时默认是放在数组的 0 位置，这是因为 null 不能计算 hash 值，也就无法知道应该放在哪个链表上。
public V put(K key, V value) {
if (key == null)
return putForNullKey(value);
int hash = hash(key.hashCode());
int i = indexFor(hash, table.length);
for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
Object k;
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
modCount++;
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}
private V putForNullKey(V value) {
for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
if (e.key == null) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
modCount++;
addEntry(0, null, value, 0);
return null;
}
6. 与 HashTable 的区别
- HashTable 是同步的，它使用了 synchronized 来进行同步。它也是线程安全的，多个线程可以共享同一个 HashTable。HashMap 不是同步的，但是可以使用 ConcurrentHashMap，它是 HashTable 的替代，而且比 HashTable 可扩展性更好。
- HashMap 可以插入键为 null 的 Entry。
- HashMap 的迭代器是 fail-fast 迭代器，而 Hashtable 的 enumerator 迭代器不是 fail-fast 的。
- 由于 Hashtable 是线程安全的也是 synchronized，所以在单线程环境下它比 HashMap 要慢。
- HashMap 不能保证随着时间的推移 Map 中的元素次序是不变的。
LinkedHashMap
ConcurrentHashMap
探索 ConcurrentHashMap 高并发性的实现机制
五、参考资料
- Java 编程思想
- Java Collection Framework
- Iterator 模式