341 lines
12 KiB
Plaintext
341 lines
12 KiB
Plaintext
[TOC]
|
||
|
||
# 概览
|
||
|
||
|
||
|
||
容器主要包括 Collection 和 Map 两种，Collection 又包含了 List、Set 以及 Queue。
|
||
|
||
## 1. 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。
|
||
|
||
## 2. 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；
|
||
|
||
- LinkedListHashSet：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。
|
||
|
||
## 3. Queue
|
||
|
||
只有两个实现：LinkedList 和 PriorityQueue，其中 LinkedList 支持双向队列，PriorityQueue 是基于堆结构实现。
|
||
|
||
## 4. Map
|
||
|
||
- 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
|
||
|
||
- TreeMap：基于红黑树实现
|
||
|
||
- ConcurrentHashMap：线程安全 Map，不涉及类似于 HashTable 的同步加锁
|
||
|
||
## 5. 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
|
||
|
||
# 容器中的设计模式
|
||
|
||
## 1. 迭代器模式
|
||
|
||
从概览图可以看到，每个集合类都有一个 Iterator 对象，可以通过这个迭代器对象来遍历集合中的元素。
|
||
|
||
[Java 中的迭代器模式 ](https://github.com/CyC2018/InterviewNotes/blob/master/notes/%E8%AE%BE%E8%AE%A1%E6%A8%A1%E5%BC%8F.md#92-java-%E5%86%85%E7%BD%AE%E7%9A%84%E8%BF%AD%E4%BB%A3%E5%99%A8)
|
||
|
||
## 2. 适配器模式
|
||
|
||
java.util.Arrays#asList() 可以把数组类型转换为 List 类型。
|
||
|
||
```java
|
||
List list = Arrays.asList(1, 2, 3);
|
||
int[] arr = {1, 2, 3};
|
||
list = Arrays.asList(arr);
|
||
```
|
||
|
||
# 散列
|
||
|
||
使用 hasCode() 来返回散列值，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
|
||
2. 对称性
|
||
3. 传递性
|
||
4. 一致性（多次调用 x.equals(y)，结果不变）
|
||
5. 对任何不是 null 的对象 x 调用 x.equals(nul) 结果都为 false
|
||
|
||
# 源码分析
|
||
|
||
建议先阅读 [ 算法 - 查找 ](https://github.com/CyC2018/InterviewNotes/blob/master/notes/%E7%AE%97%E6%B3%95.md#%E7%AC%AC%E4%B8%89%E7%AB%A0-%E6%9F%A5%E6%89%BE) 部分，对集合类源码的理解有很大帮助。
|
||
|
||
源码下载：[OpenJDK 1.7](http://download.java.net/openjdk/jdk7)
|
||
|
||
## 1. ArraList
|
||
|
||
[ArraList.java](https://github.com/CyC2018/InterviewNotes/blob/master/notes/src/ArrayList.java)
|
||
|
||
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。
|
||
|
||
```java
|
||
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，这是因为该数组不一定所有位置都占满元素，因此也就没必要全部都进行序列化。需要重写 writeObject() 和 readObject()。
|
||
|
||
```java
|
||
private transient Object[] elementData;
|
||
```
|
||
|
||
数组的默认大小为 10
|
||
|
||
```java
|
||
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，最好在创建时就指定大概的容量大小，减少复制操作的执行次数。
|
||
|
||
```java
|
||
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，需要进行扩容，使得新容量为旧容量的 1.5 倍。
|
||
|
||
modCount 用来记录 ArrayList 发生变化的次数，因为每次在进行 add() 和 addAll() 时都需要调用 ensureCapacity()，因此直接在 ensureCapacity() 中对 modCount 进行修改。
|
||
|
||
```java
|
||
public void ensureCapacity(int minCapacity) {
|
||
if (minCapacity > 0)
|
||
ensureCapacityInternal(minCapacity);
|
||
}
|
||
|
||
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
|
||
modCount++;
|
||
// overflow-conscious code
|
||
if (minCapacity - elementData.length > 0)
|
||
grow(minCapacity);
|
||
}
|
||
|
||
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 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;
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
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。
|
||
|
||
```java
|
||
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();
|
||
}
|
||
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
**和 Vector 的区别**
|
||
|
||
1. 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，访问要慢。最好使用 ArrayList 而不是 Vector，因为同步完全可以由程序员自己来控制；
|
||
2. Vector 每次扩容请求其大小的 2 倍空间，而 ArrayList 是 1.5 倍。
|
||
|
||
为了使用线程安全的 ArrayList，可以使用 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；
|
||
|
||
**和 LinkedList 的区别**
|
||
|
||
1. ArrayList 基于动态数组实现，LinkedList 基于双向循环链表实现；
|
||
2. ArrayList 支持随机访问，LinkedList 不支持；
|
||
3. LinkedList 在任意位置添加删除元素更快。
|
||
|
||
## 2. Vector 与 Stack
|
||
|
||
[Vector.java](https://github.com/CyC2018/InterviewNotes/blob/master/notes/src/Vector.java)
|
||
|
||
## 3. LinkedList
|
||
|
||
[LinkedList.java](https://github.com/CyC2018/InterviewNotes/blob/master/notes/src/LinkedList.java)
|
||
|
||
## 4. TreeMap
|
||
|
||
[TreeMap.java](https://github.com/CyC2018/InterviewNotes/blob/master/notes/src/TreeMap.java)
|
||
|
||
## 5. HashMap
|
||
|
||
[HashMap.java](https://github.com/CyC2018/InterviewNotes/blob/master/notes/src/HashMap.java)
|
||
|
||
使用拉链法来解决冲突。
|
||
|
||
默认容量 capacity 为 16，需要注意的是容量必须保证为 2 的次方。容量就是 Entry[] table 数组的长度，size 是数组的实际使用量。
|
||
|
||
threshold 规定了一个 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。
|
||
|
||
threshold = capacity * load_factor，其中 load_factor 为 table 数组能够使用的比例，load_factor 过大会导致聚簇的出现，从而影响查询和插入的效率，详见算法笔记。
|
||
|
||
```java
|
||
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。
|
||
|
||
```java
|
||
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);
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
Entry 用来表示一个键值对元素，其中的 next 指针在序列化时会使用。
|
||
|
||
```java
|
||
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
|
||
final K key;
|
||
V value;
|
||
Entry<K,V> next;
|
||
final int hash;
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
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。
|
||
|
||
```java
|
||
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。
|
||
|
||
```java
|
||
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;
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
```java
|
||
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. LinkedHashMap
|
||
|
||
[LinkedHashMap.java](https://github.com/CyC2018/InterviewNotes/blob/master/notes/src/HashMap.java)
|
||
|
||
## 7. ConcurrentHashMap
|
||
|
||
[ConcurrentHashMap.java](https://github.com/CyC2018/InterviewNotes/blob/master/notes/src/HashMap.java)
|
||
|
||
[ 探索 ConcurrentHashMap 高并发性的实现机制 ](https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/java-lo-concurrenthashmap/)
|
||
|
||
# 参考资料
|
||
|
||
- Java 编程思想 |