CS-Notes/notes/Java 容器.md

• 概览
  • 1. List
  • 2. Set
  • 3. Queue
  • 4. Map
  • 5. Java 1.0/1.1 容器
• 容器中的设计模式
  • 1. 迭代器模式
  • 2. 适配器模式
• 散列
• 源码分析
  • 1. ArrayList
  • 2. Vector 与 Stack
  • 3. LinkedList
  • 4. TreeMap
  • 5. HashMap
  • 6. LinkedHashMap
  • 7. ConcurrentHashMap
• 参考资料

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；

• 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。

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

2. 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);

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 部分，对集合类源码的理解有很大帮助。

源码下载：OpenJDK 1.7

1. ArrayList

ArraList.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。

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，该关键字声明该数组默认不会被序列化。这是因为该数组不是所有位置都占满元素，因此也就没必要全部都进行序列化。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。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 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;
}

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();
    }
}

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；
2. 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；

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

3. LinkedList

LinkedList.java

4. TreeMap

TreeMap.java

5. HashMap

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。

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);
}

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。

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。

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. LinkedHashMap

LinkedHashMap.java

7. ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap.java

探索 ConcurrentHashMap 高并发性的实现机制

参考资料

• Java 编程思想