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[Java教程]Java温故而知新(1)


Java中的集合类有以下所属关系:
Collection
├List
│├LinkedList
│├ArrayList
│└Vector
│ └Stack
└Set
Map
├Hashtable
├HashMap
└WeakHashMap

java_Collection_介绍

Collection接

  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。

 

java_Collection_介绍

 

所谓框架就是一个类库的集合。集合框架就是一个用来表示和操作集合的统一的架构, 包含了实现集合的接口与类。

 

 

 

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。

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)。

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且无序的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。

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”);
    System.out.println(“two = ” + n);
  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的数据结构:
   在java编程语言中,最基本的结构就是两种,一个是数组,另外一个是模拟指针(引用),所有的数据结构都可以用这两个基本结构来构造的,HashMap也不例外。HashMap实际上是一个“链表散列”的数据结构,即数组和链表的结合体。

   从上图中可以看出,HashMap底层就是一个数组结构,数组中的每一项又是一个链表。当新建一个HashMap的时候,就会初始化一个数组。
 
下面以HashMap为例子,深入对Map的实现机制进行了解,在这个过程中,请打开jdk源码。

Hash算法

HashMap使用Hash算法,所以在解剖HashMap之间,需要先简单的了解Hash算法,Hash算法一般也成为散列算法,通过散列算法将任意的值转化成固定的长度输出,该输出就是散列值,这是一种压缩映射,也就是,散列值的空间远远小于输入的值空间。
简单的说,hash算法的意义在于提供了一种快速存取数据的方法,它用一种算法建立键值与真实值之间的对应关系,(每一个真实值只能有一个键值,但是一个键值可以对应多个真实值),这样可以快速在数组等里面存取数据。

下面我们建立一个HashMap,然后往里面放入12对key-value,这个HashMap的默认数组长度为16,我们的key分别存放在该数组的格子中,每个格子下面存放的元素又是以链表的方式存放元素。

  public static void main(String[] args) {    Map map = new HashMap();    map.put("What", "chenyz");    map.put("You", "chenyz");    map.put("Don't", "chenyz");    map.put("Know", "chenyz");    map.put("About", "chenyz");    map.put("Geo", "chenyz");    map.put("APIs", "chenyz");    map.put("Can't", "chenyz");    map.put("Hurt", "chenyz");    map.put("you", "chenyz");    map.put("google", "chenyz");    map.put("map", "chenyz");    map.put("hello", "chenyz");  }

 



当我们新添加一个元素时,首先我们通过Hash算法计算出这个元素的Hash值的hashcode,通过这个hashcode的值,我们就可以计算出这个新元素应该存放在这个hash表的哪个格子里面,如果这个格子中已经存在元素,那么就把新的元素加入到已经存在格子元素的链表中。

运行上面的程序,我们对HashMap源码进行一点修改,打印出每个key对象的hash值

What-->hash值:8
You-->hash值:3
Don't-->hash值:7
Know-->hash值:13
About-->hash值:11
Geo-->hash值:12
APIs-->hash值:1
Can't-->hash值:7
Hurt-->hash值:1
you-->hash值:10
google-->hash值:3
map-->hash值:8
hello-->hash值:0

计算出来的Hash值分别代表该key应该存放在Hash表中对应数字的格子中,如果该格子已经有元素存在,那么该key就以链表的方式依次放入格子中



从上表可以看出,Hash表是线性表和链表的综合所得,根据数据结构的定义,可以得出粗劣的结论,Hash算法的存取速度要比数组差一些,但是比起单纯的链表,在查找和存取方面却要好多。

如果要查找一个元素时,同样的方式,通过Hash函数计算出这个元素的Hash值hashcode,然后通过这个hashcode值,直接找到跟这个hash值相对应的线性格子,进如该格子后,对这个格子存放的链表元素逐个进行比较,直到找到对应的hash值。

在简单了解完Hash算法后,我们打开HashMap源码

初始化HashMap

下面我们看看Map map = new HashMap();这段代码究竟做了什么,发生了什么数据结构的变化。

HashMap中几个重要的属性

transient Entry[] table;
用来保存key-value的对象Entry数组,也就是Hash表

transient int size;
返回HashMap的键值对个数

final float loadFactor;
负载因子,用来决定Entry数组是否扩容的因子,HashMap默认是0.75f

int threshold;
重构因子,(capacity * load factor)负载因子与Entry[]数组容积的乘值

public class HashMap<K,V>  extends AbstractMap<K,V>  implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable{  int threshold;    final float loadFactor;  transient Entry[] table;  static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;  static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;  public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {    if (initialCapacity < 0)      throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +                        initialCapacity);    if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)      initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;    if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))      throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +                        loadFactor);    // Find a power of 2 >= initialCapacity    int capacity = 1;    while (capacity < initialCapacity)      capacity <<= 1;    this.loadFactor = loadFactor;    threshold = (int)(capacity * loadFactor);    table = new Entry[capacity];    init();  }

 


以public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)构造函数为例,另外两个构造函数实际上也是以同种方式来构建HashMap.

首先是要确定hashMap的初始化的长度,这里使用的策略是循环查出一个大于initialCapacity的2的次方的数,例如initialCapacity的值是10,那么大于10的数是2的4次方,也就是16,capacity的值被赋予了16,那么实际上table数组的长度是16,之所以采用这样的策略来构建Hash表的长度,是因为2的次方运算对于计算机来说是有相当的效率。

loadFactor,被称为负载因子,HashMap的默认负载因子是0.75f

threshold,接下来是重构因子,由负载因子和容量的乘机组成,它表示当HashMap元素被存放了多少个之后,需要对HashMap进行重构。

通过这一系列的计算和定义后,初始化Entry[] table;

put(key,value)

接下来看一对key-value是如何被存放到HashMap中:put(key,value)

 
  public V put(K key, V value) {    if (key == null)      return putForNullKey(value);    int hash = hash(key.hashCode());        int i = indexFor(hash, table.length);    System.out.println(key+"-->hash值:"+i);//这就是刚才程序打印出来的key对应hash值    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;  }  static int hash(int h) {    h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);    return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);  }  static int indexFor(int h, int length) {    return h & (length-1);  }

 



这里是整个hash的关键,请打开源码查看一步一步查看。

hash(key.hashCode()) 计算出key的hash码 //对于hash()的算法,这里有一篇分析很透彻的文章<HashMap hash方法分析>
indexFor(hash, table.length) 通过一个与算法计算出来,该key应在存放在Hash表的哪个格子中。
for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) 然后再遍历table[i]格中的链表,判断是否已经存在一样的key,如果存在一样的key值,那么就用新的value覆盖旧的value,并把旧的value值返回。
addEntry(hash, key, value, i) 如果经过遍历链表没有发现同样的key,那么进行addEntry函数的操作,增加当前key到hash表中的第i个格子中的链表中

  void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];    table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);    if (size++ >= threshold)      resize(2 * table.length);  }

 



Entry<K,V> e = table[bucketIndex];  创建一个Entry对象来存放键值(ps:Entry对象是一个链表对象)
table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e); 将Entry对象添加到链表中
if (size++ >= threshold) resize(2 * table.length); 最后将size进行自增,判断size值是否大于重构因子,如果大于那么就是用resize进行扩容重构。

  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);  }

 



这里为什么是否需要扩容重构,其实是涉及到负载因子的性能问题

loadFactor负载因子
上面说过loadFactor是一个hashMap的决定性属性,HashSet和HashMap的默认负载因子都是0.75,它表示,如果哈希表的容量超过3/4时,将自动成倍的增加哈希表的容量,这个值是权衡了时间和空间的成本,如果负载因子较高,虽然会减少对内存空间的需求,但也会增加查找数据的时间开销,无论是put()和get()都涉及到对数据进行查找的动作,所以负载因子是不适宜设置过高



get(key)

接下来看看get(key)做了什么

  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;  }

 



这些动作似乎是跟put(key,value)相识,通过hash算法获取key的hash码,再通过indexFor定位出该key存在于table的哪一个下表,获取该下标然后对下标中的链表进行遍历比对,如果有符合就直接返回该key的value值。

keySet()

这里还涉及另一个问题,上面说了HashMap是跟set没有任何亲属关系,但map也一样实现了keySet接口,下面谱析一下keySet在hashMap中是如何实现的,这里给出部分代码,请结合源码查看

public K next() {      return nextEntry().getKey();    }  final Entry<K,V> nextEntry() {      if (modCount != expectedModCount)        throw new ConcurrentModificationException();      Entry<K,V> e = next;      if (e == null)        throw new NoSuchElementException();      if ((next = e.next) == null) {        Entry[] t = table;        while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)          ;      }    current = e;      return e;    }

 



代码很简单,就是对每个格子里面的链表进行遍历,也正是这个原因,当我们依次将key值put进hashMap中,但在使用map.entrySet().iterator()进行遍历时候却不是put时候的顺序。

扩容
在前面说到put函数的时候,已经提过了扩容的问题

if (size++ >= threshold)
resize(2 * table.length);


这里一个是否扩容的判断,当数据达到了threshold所谓的重构因子,而不是HashMap的最大容量,就进行扩容。

    
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);      }    }  }


transfer方法实际上是将所有的元素重新进行一些hash,这是因为容量变化了,每个元素相对应的hash值也会不一样。

使用HashMap

1.不要再高并发中使用HashMap,HashMap是线程不安全,如果被多个线程共享之后,将可能发生不可预知的问题。
2.如果数据大小事固定的,最好在初始化的时候就给HashMap一个合理的容量值,如果使用new HashMap()默认构造函数,重构因子的值是16*0.75=12,当HashMap的容量超过了12后,就会进行一系列的扩容运算,重建一个原来成倍的数组,并且对原来存在的元素进行重新的hash运算,如果你的数据是有成千上万的,那么你的成千上万的数据也要跟这你的扩容不断的hash,这将产生高额的内存和cpu的大量开销。

当然啦,HashMap的函数还有很多,不过都是基于table的链表进行操作,当然也就是hash算法,Map & hashMap在平时我们的应用非常多,最重要的是我们要对每句代码中每块数据结构变化心中有数。

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。

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。

同步性
Vector是同步的。这个类中的一些方法保证了Vector中的对象是线程安全的。而ArrayList则是异步的,因此ArrayList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ArrayList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。
数据增长
从内部实现机制来讲ArrayList和Vector都是使用数组(Array)来控制集合中的对象。当你向这两种类型中增加元素的时候,如果元素的数目 超出了内部数组目前的长度它们都需要扩展内部数组的长度,Vector缺省情况下自动增长原来一倍的数组长度,ArrayList是原来的50%,所以最 后你获得的这个集合所占的空间总是比你实际需要的要大。所以如果你要在集合中保存大量的数据那么使用Vector有一些优势,因为你可以通过设置集合的初 始化大小来避免不必要的资源开销。
使用模式
在ArrayList和Vector中,从一个指定的位置(通过索引)查找数据或是在集合的末尾增加、移除一个元素所花费的时间是一样的,这个时间我们用 O(1)表示。但是,如果在集合的其他位置增加或移除元素那么花费的时间会呈线形增长:O(n-i),其中n代表集合中元素的个数,i代表元素增加或移除 元素的索引位置。为什么会这样呢?以为在进行上述操作的时候集合中第i和第i个元素之后的所有元素都要执行位移的操作。这一切意味着什么呢?
这意味着,你只是查找特定位置的元素或只在集合的末端增加、移除元素,那么使用Vector或ArrayList都可以。如果是其他操作,你最好选择其他 的集合操作类。比如,LinkList集合类在增加或移除集合中任何位置的元素所花费的时间都是一样的?O(1),但它在索引一个元素的使用缺比较慢 -O(i),其中i是索引的位置.使用ArrayList也很容易,因为你可以简单的使用索引来代替创建iterator对象的操作。LinkList也 会为每个插入的元素创建对象,所有你要明白它也会带来额外的开销。
最后,在《Practical Java》一书中Peter Haggar建议使用一个简单的数组(Array)来代替Vector或ArrayList。尤其是对于执行效率要求高的程序更应如此。因为使用数组 (Array)避免了同步、额外的方法调用和不必要的重新分配空间的操作。

相互区别

Vector和ArrayList

1,vector是线程同步的,所以它也是线程安全的,而arraylist是线程异步的,是不安全的。如果不考虑到线程的安全因素,一般用

arraylist效率比较高。
2,如果集合中的元素的数目大于目前集合数组的长度时,vector增长率为目前数组长度的100%,而arraylist增长率为目前数组长度

的50%.如过在集合中使用数据量比较大的数据,用vector有一定的优势。
3,如果查找一个指定位置的数据,vector和arraylist使用的时间是相同的,都是0(1),这个时候使用vector和arraylist都可以。而

如果移动一个指定位置的数据花费的时间为0(n-i)n为总长度,这个时候就应该考虑到使用linklist,因为它移动一个指定位置的数据

所花费的时间为0(1),而查询一个指定位置的数据时花费的时间为0(i)。

ArrayList 和Vector是采用数组方式存储数据,此数组元素数大于实际存储的数据以便增加和插入元素,都允许直接序号索引元素,但是插入数据要设计到数组元素移动 等内存操作,所以索引数据快插入数据慢,Vector由于使用了synchronized方法(线程安全)所以性能上比ArrayList要 差,LinkedList使用双向链表实现存储,按序号索引数据需要进行向前或向后遍历,但是插入数据时只需要记录本项的前后项即可,所以插入数度较快!

arraylist和linkedlist

1.ArrayList是实现了基于动态数组的数据结构,LinkedList基于链表的数据结构。
2.对于随机访问get和set,ArrayList觉得优于LinkedList,因为LinkedList要移动指针。
3.对于新增和删除操作add和remove,LinedList比较占优势,因为ArrayList要移动数据。
    这一点要看实际情况的。若只对单条数据插入或删除,ArrayList的速度反而优于LinkedList。但若是批量随机的插入删除数 据,LinkedList的速度大大优于ArrayList. 因为ArrayList每插入一条数据,要移动插入点及之后的所有数据。


HashMap与TreeMap


       1、HashMap通过hashcode对其内容进行快速查找,而TreeMap中所有的元素都保持着某种固定的顺序,如果你需要得到一个有序的结果你就应该使用TreeMap(HashMap中元素的排列顺序是不固定的)。

       2、在Map 中插入、删除和定位元素,HashMap 是最好的选择。但如果您要按自然顺序或自定义顺序遍历键,那么TreeMap会更好。使用HashMap要求添加的键类明确定义了hashCode()和 equals()的实现。  这个TreeMap没有调优选项,因为该树总处于平衡状态。

      结过研究,在原作者的基础上我还发现了一点,二树map一样,但顺序不一样,导致hashCode()不一样。
      同样做测试:
      在hashMap中,同样的值的map,顺序不同,equals时,false;
      而在treeMap中,同样的值的map,顺序不同,equals时,true,说明,treeMap在equals()时是整理了顺序了的。

hashtable与hashmap

一.历史原因:Hashtable是基于陈旧的Dictionary类的,HashMap是Java 1.2引进的Map接口的一个实现

二.同步性:Hashtable是线程安全的,也就是说是同步的,而HashMap是线程序不安全的,不是同步的

三.值:只有HashMap可以让你将空值作为一个表的条目的key或value