http://www.codeceo.com/article/java-container-brief-introduction.html
Java实用类库提供了一套相当完整的容器来帮助我们解决很多具体问题。因为我本身是一名Android开发者，包括我在内很多安卓开发，最拿手的就是ListView(RecycleView)+BaseAdapter+ArrayList三剑客, 平时接触使用的容器也只有ArrayList和HashMap。导致对于整个Java容器体系的掌握和使用还停留在很浅的层面。省不足而思改进，那么跟着我来总结一下Java容器的相关知识吧。
结构
- java容器类的继承结构
- 具体介绍
- 迭代器
- Collection
- List
- Set
- Queue
- Map
- 一些建议
- 进阶·并发容器
- CopyOnWriteArrayList与Copy-On-Write策略
- ConcurrentLinkedQueue
- ConcurrentHashMap与锁分段技术
- 阻塞队列
java容器类的继承结构
Java容器类库定义了两个不同概念的容器，Collection和Map
- Collection 一个独立元素的序列，这些元素都服从一条或多条规则。List必须按照插入的顺序保存元素。Set不能有重复元素。Queue按照排队规则来确定对象产生的顺序。
(文中Jdk源码版本无特殊说明均为jdk1.8.0_101)
public interface Collection<E> extends Iterable<E> {
int size();
boolean isEmpty();
boolean contains(Object o);
Iterator<E> iterator();
Object[] toArray();
<T> T[] toArray(T[] a);
boolean add(E e);
boolean remove(Object o);
boolean containsAll(java.util.Collection<?> c);
boolean addAll(java.util.Collection<? extends E> c);
boolean removeAll(java.util.Collection<?> c);
... //省略了其他方法
}
可以看到，java定义了Collection接口和内部集合的基本操作方法，Collection默认可以进行对集合末端添加元素，删除指定元素等操作。List、Set、Queue接口都继承自Collection并定义了各自不同的方法。
- Map 一组成对的”键值对”对象，允许我们使用键来查找值。
public interface Map<K,V> {
int size();
boolean containsKey(Object key);
boolean containsValue(Object value);
V get(Object key);
V put(K key, V value);
V remove(Object key);
void putAll(java.util.Map<? extends K, ? extends V> m);
void clear();
Set<K> keySet();
Collection<V> values();
Set<java.util.Map.Entry<K, V>> entrySet();
interface Entry<K,V> {
K getKey();
V getValue();
V setValue(V value);
boolean equals(Object o);
int hashCode();
...
}
boolean equals(Object o);
int hashCode();
}
Map内部接口Entry<K,V>对应着Map的键值对。
具体介绍
迭代器
先介绍一下迭代器。迭代器本身也是一种设计模式，设计的初衷在于：容器的实现由很多种，而我们想对容器进行遍历操作的话，首先不应该关心容器实现的细节，其次遍历操作应该是轻量级的。迭代器统一了对容器的访问方式，同时创建它的代价很小。值得注意的是，Iterator只能单向移动。
public interface Iterator<E> {
boolean hasNext();
E next();
default void remove() {
throw new UnsupportedOperationException("remove");
}
default void forEachRemaining(Consumer<? super E> action) {
Objects.requireNonNull(action);
while (hasNext())
action.accept(next());
}
}
通过容器的iterator()方法拿到容器的迭代器
迭代器的next()获取下一个元素
hasNext()判断是否还有元素
remove()删除指定元素
ListIterator
ListIterator是Iterator的扩展之内，用于各种List类访问，支持双向移动。
Collection
List
List 承诺可以将元素维护在特定的序列中.List接口在Collection的基础上添加了大量的方法，使得可以再List中间插入和移除元素。
public interface List<E> extends Collection<E> {
...
boolean add(E e);
boolean remove(Object o);
boolean containsAll(Collection<?> c);
boolean addAll(Collection<? extends E> c);
boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c);
boolean removeAll(Collection<?> c);
boolean retainAll(Collection<?> c);
E get(int index);
E set(int index, E element);
void add(int index, E element);
E remove(int index);
int indexOf(Object o);
int lastIndexOf(Object o);
java.util.List<E> subList(int fromIndex, int toIndex);
...
}
有两种类型的List，ArrayList和LinkedList
| List类型 | 优点 | 缺点 | 底层实现 |
|---|---|---|---|
| ArrayList | 随机访问元素较快 | 中间元素的插入和删除较慢 | 数组 |
| LinkedList | 中间元素的插入和删除，顺序访问的优化 | 随机访问元素较慢 | 双向链表 |
Set
Set不保存重复的元素，通常用于快速查找元素。值得一提的是，Set具有与Collection完全一样的接口，没有任何额外的功能。 存入的元素必须定义equals()方法
| Set类型 | 使用场景 | 底层实现 |
|---|---|---|
| HashSet | 快速查找，元素必须定义hashCode() | 链表 |
| TreeSet | 保持次序，元素必须实现Comparable接口 | 红-黑树结构 |
| LinkedHashSet | 维护次序的HashSet, 元素必须定义hashCode() | 链表 |
Queue
除了并发应用，Queue仅有的两个实现是LinkedList和PriorityQueue, 其中LinkedList同时实现了List, Deque接口。它们的差异在于排序行为而不是性能。
public interface Queue<E> extends Collection<E> {
boolean add(E e);
boolean offer(E e);
E remove();
E poll();
E element();
E peek();
}
Map
| Map类型 | 使用场景 | 底层实现 |
|---|---|---|
| HashMap | 快速查询 | 散列表 |
| LinkedHashMap | 迭代遍历具有顺序(插入顺序 or 最近最少使用) | 链表 |
| TreeMap | 具有排序，唯一可以返回子树的Map(subMap()) | 红-黑树结构 |
| WeakHashMap | 弱键映射，映射之外无引用的键，可以被垃圾回收 | 散列表 |
| ConcurrentHashMap | 线程安全的Map | 链表 |
| IdentityHashMap | 使用==代替equals()对键进行排序，专位解决特殊问题 | 链表 |
我们可以手工调整HashMap来调整性能，涉及到如容量、初始容量、尺寸、负载因子等概念。感兴趣的话可以看一些相关资料。
一些建议
- 不要使用过时的容器 如Vector Enumeration Hashtable Stack(没错，这就是java最初的糟糕设计，实际中使用栈的话推荐LinkedList)
进阶·并发容器
这里不会讨论的太细致的实现，仅仅简单介绍一下基础知识，感兴趣的可以阅读《Java 并发编程的艺术》这本书。
CopyOnWriteArrayList与Copy-On-Write策略
Copy-On-Write简称COW，是一种用于程序设计中的优化策略。其基本思路是，从一开始大家都在共享同一个内容，当某个人想要修改这个内容的时候，才会真正把内容Copy出去形成一个新的内容然后再改，这是一种延时懒惰策略。从JDK1.5开始Java并发包里提供了两个使用CopyOnWrite机制实现的并发容器,它们是CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet。CopyOnWrite容器非常有用，可以在非常多的并发场景中使用到。
CopyOnWrite容器即写时复制的容器。通俗的理解是当我们往一个容器添加元素的时候，不直接往当前容器添加，而是先将当前容器进行Copy，复制出一个新的容器，然后新的容器里添加元素，添加完元素之后，再将原容器的引用指向新的容器。这样做的好处是我们可以对CopyOnWrite容器进行并发的读，而不需要加锁，因为当前容器不会添加任何元素。所以CopyOnWrite容器也是一种读写分离的思想，读和写不同的容器。
CopyOnWrite容器只能保证数据的最终一致性，不能保证数据的实时一致性。所以如果你希望写入的的数据，马上能读到，请不要使用CopyOnWrite容器。
ConcurrentLinkedQueue
在并发编程中，有时候需要使用线程安全的队列或列表。通常实现线程安全有两种方式，一种是使用阻塞算法，一种是使用非阻塞算法。非阻塞算法实现基础为循环CAS(Compare and Swipe 比较和交换)。
ConcurrentLinkedQueue技术上的实现与CopyOnWriteArrayList与Copy类似，但是容器只有部分内容而不是整个容器可以被复制和修改。ConcurrentLinkedQueue有head节点和tail节点组成，每个节点由节点元素(item)和指向下一个结点(next)的引用组成。节点之间通过next关联起来，形成一张链表结构的队列。
ConcurrentHashMap与锁分段技术
ConcurrentHashMap是线程安全且高效的HashMap。多线程环境下，使用非线程安全的HashMap会导致死循环，而如文章中建议的那样，HashTable这种过时容器效率低下(使用synchronized来保证线程安全)。ConcurrentHashMap使用锁分段技术，大大提高了并发使用的效率。
锁分段技术: 假设容器有多把锁，每一把锁用于锁容器其中一部分数据，当多线程访问容器不同数据段数据时，线程间就不存在锁竞争，从而提高并发访问效率。
阻塞队列
JDK7 提供了7个阻塞队列，实现原理都是基于生产-消费模式的等待通知机制。
| 阻塞队列类型 | 特点 |
|---|---|
| ArrayBlockingQueue | 由数组结构组成的有界阻塞队列 |
| LinkedBlockingQueue | 由链表结构组成的有界阻塞队列 |
| PriorityBlockingQueue | 支持优先级排序的无界阻塞队列 |
| DelayQueue | 使用优先级队列实现的无界阻塞队列 |
| SynchronousQueue | 不储存元素的阻塞队列 |
| LinkedTransferQueue | 由链表结构组成的无界阻塞队列 |
| LinkedBlockingQueue | 由链表结构组成的双向阻塞队列 |
感谢阅读~