java容器学习笔记

容器

容器的组成

容器有两个接口Map和Collection。
collection接口有List类和set类。

List类可以分为：Vector、LinkedList、ArrayList、CopyOnWriteArrayList
Set类可以分为：HashSet、LinkedHashSet、TreeSet

Map接口拥有：HashMap、LinkedHashMap、TreeMap、ConcurrentHashMap

结论：

1. 如果是集合类型，有List和Set供我们选择。List的特点是插入有序的，元素是可重复的。Set的特点是插入无序的，元素不可重复的。
2. 如果是key-value型，就可以选择Map。如果要保持插入顺序，则可以选择LinkedHashMap，如果不需要则选择HashMap，如果要排序则选择TreeMap。

选择什么样的容器来存储对象，关键在于了解每一个常用集合类的数据结构！

容器的初步了解

List

List集合基础

• 实现了Collection接口
• 特性：有序的，元素可重复的
• 允许元素为null

List常用的子类

• Vector

底层结构是数组，初始容量是10，每次增长2倍。
它是线程同步的，已被ArrayList代替。

• LinkedList

底层结构是双向链表
实现了Deque接口，因此可以向操作栈和队列一样操作它。
线程非同步。

• ArrayList

底层结构是数组，初始容量为10，每次增长1.5倍。
在增删的时候，需要数组的拷贝复制。
线程非同步。

• CopyOnWriteArrayList

原理：在修改时，复制出一个新数组，修改的操作在新数组中完成，最后将新数组交由array变量指向。
写加锁，读不加锁。
缺点： 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。
适合在读多写少的场景中使用。

Set

Set集合基础

• 实现了Collection接口
• 特性：无序的，元素不可重复
• 底层大多数是Map结构的实现
• 常用的三个子类都是非同步的

Set常用的子类

• HashSet

底层数据结构是哈希表（是一个元素为链表的数组） + 红黑树。
实际上就是封装了HashMap。
元素无序，可以为null。

• LinkedHashSet

底层数据结构由哈希表和双向链表组成。
父类是HashSet。
实际上就是LinkHashMap。
元素可以为null。

• TreeSet

底层实际上是一个TreeMap实例（红黑树）。
可以实现排序的功能。
元素不能为null。

Map

Map基础知识

• 存储的结构是key-value键值对，不像Collection是单列集合
• 需要先了解一下散列表和红黑树

Map常用的子类

• HashMap

底层是散列表 + 红黑树。
初始容量为16， 装载因子为0.75，每次扩容2倍。
允许为null，存储无序。
非同步。
散列表容量大于64且链表大于8时，转为红黑树。
Key的哈希值会与该值的高16位做异或操作，进一步增加随机性。
当散列表的元素大于容量 * 装载因子时，会再散列，每次扩容2倍。
如果hashCode相同，key不同则替换元素，否则就是散列冲突。

• LinkedHashMap

底层是散列表 + 红黑树 + 双向链表，父类是HashMap。
允许为null，插入有序。
非同步。
提供插入顺序和访问顺序两种，访问顺序是符合LRU算法，一般用于扩展（默认是插入排序）
迭代与初始容量无关（迭代的是维护的双向链表）
大多使用HashMap的API，只不过在内部重写了某些方法，维护了双向链表。

• TreeMap

底层是红黑树，保证了时间复杂度为log（n）。
可以对其进行排序，使用Comparator或者Comparable。
只要compare或者CompareTo认定该元素相等，那就相等。
非同步。
自然排序（手动排序），元素不能为null。

• ConcurrentHashMap

底层是散列表 + 红黑树，支持高并发操作。
key和value都不能为空。
线程是安全的，利用CAS算法和部分操作上锁实现。
get方法是非阻塞，无锁的。重写Node类，通过volatile修饰next来实现每次获取都是最新设置的值。
在高并发环境下，统计数据（如计算size等）其实是无意义的，因为在下一个时刻size值就变化了。

Collection的功能

1.添加功能

boolean add(Object obj):添加一个元素
boolean addAll(Collection c): 添加一个集合的元素

2.删除功能：

void clear(): 移除所有元素
boolean remove(Object obj): 移除一个元素
boolean removeAll（Collection c）： 移除一个集合的元素，只要一个元素被移除了就返回true。

3.判断功能

boolean contain(Object obj): 判断集合是否包含该元素
boolean containsAll(Collection c): 判断集合中是否包含指定的集合元素，只有包含所有元素才叫包含。
boolean isEmpty(): 判断集合是否为空

4.获取功能

Iterator<E> iterator(): 迭代器

5.长度功能

int size(): 元素的个数

6.交集功能

boolean retainAll(Collection c): 移除次collection中未包含在指定collection中的所有元素。集合A和集合B做交集，最终的结果保存在集合A，返回值表示的是A是否发生过变化。

迭代器Iterator

Iterator实际上就是在遍历集合。

遍历集合的步骤：

1. 通过结合对象获取迭代器对象
2. 通过迭代器对象的hasNext()方法判断是否有元素
3. 通过迭代器对象的next()方法获取元素并移动到下一个位置

我们有一个集合：Collection c = new ArrayList();
给集合添加元素：c.add("hello"); c.add("world"); c.add("java");
通过集合获取迭代器对象：Iterator it = c.iterator();

while(it.hashNext()){
	String s = (String)it.next();
	System.out.println(s);
}

ArrayList解析

图

add方法

1.add(E e)

首先去检查一下数组的容量是否足够：

• 足够：直接添加
• 不足够：扩容：
  • 扩容到原来的1.5倍
  • 第一次扩容后，如果容量还是小于minCapacity，就将容量扩充为minCapacity。

2.add(int index, E e)

• 检查角标
• 空间检查，如果有需要进行扩容
• 插入元素

get方法

get(int index)

• 检查角标
• 返回元素

set方法

set(int index, E e)

• 检查角标
• 替代元素
• 返回旧值

remove方法

remove(int index)

• 检查角标
• 删除元素
• 计算出需要移动的个数，并移动
• 设置为null，让Gc回收

总结：

• ArrayList是基于动态数组实现的，在增删时候，需要数组的拷贝复制。
• ArrayList的默认初始化容量是10，每次扩容时候增加原先容量的一半，也就是变为原来的1.5倍
• 删除元素时不会减少容量，若希望减少容量则调用trimToSize()
• 它不是线程安全的。它能存放null值。

Vector与ArrayList

• Vector底层也是数组，与ArrayList最大的区别就是：同步(线程安全)
  Vector。
• 在要求非同步的情况下，我们一般都是使用ArrayList来替代Vector的了。
• 如果想要ArrayList实现同步，可以使用Collections的方法： List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList(...));
• Vector扩展2倍

LinkedList解析

底层是双向链表

方法的一些细节

• add方法实际上就是往链表最后添加元素
• remove方法实际上就是用equals看看这两个元素是否在里面

图

• get方法查看下标，如果下标小于长度的一半就从头遍历，否则从尾遍历
• set方法和get方法其实差不多，根据下标来判断是从头遍历还是从尾遍历

List总结：

• ArrayList：

底层实现是数组
ArrayList的默认初始化容量是10，每次扩容时候增加原先容量的一半，也就是变为原来的1.5倍
在增删时候，需要数组的拷贝复制(navite 方法由C/C++实现)

• LinkedList：

底层实现是双向链表[双向链表方便实现往前遍历]

• Vector：

底层是数组，现在已少用，被ArrayList替代，原因有两个：
Vector所有方法都是同步，有性能损失。
Vector初始length是10，超过length时，以100%比率增长，相比于ArrayList更多消耗内存。

总的来说：查询多用ArrayList，增删多用LinkedList。

Map的功能

1.添加功能

v put(K key, V value):添加元素

• 如果键是第一次存储，就直接存储，返回null
• 如果键不是第一次存储，就用值把它以前的值替换掉，返回以前的值

2.删除功能

void clear(): 移除所有的键值对元素
v remove(Object key): 根据键删除值，并把值返回

3.判断功能

boolean containsKey(Object key):判断集合是否包含指定的键
boolean containsValue(Object value):判断集合是否包含指定的值
boolean isEmpty(): 判断集合是否为空

4.获取功能

Set<Map.Empty<K key, V value>> entrySet():返回的是键值对对象的集合
v get(Object key): 根据键获取值
Set<K> keySet():获取集合中所有的键的集合
Collection<V> values(): 获取集合汇总所有的值的集合

5.长度功能

int size(): 返回集合汇总键值对的对数

散列表

首先我们回顾下数据和链表：
链表和数组都可以按照人们的意愿来排列元素的次序，他们可以说是有序的(存储的顺序和取出的顺序是一致的)。但同时，这会带来缺点：想要获取某个元素，就要访问所有的元素，直到找到为止。这会让我们消耗很多的时间在里边，遍历访问元素。

而还有另外的一些存储结构：不在意元素的顺序，能够快速的查找元素的数据
其中就有一种非常常见的：散列表

散列表为每个对象计算出一个整数，称为散列码。根据这些计算出来的整数(散列码)保存在对应的位置上！

在Java中，散列表用的是链表数组实现的，每个列表称之为桶。一个桶上可能会遇到被占⽤的情况(hashCode散列码相同，就存储在同一个位置上)，这种情况是无法避免的，这种现象称之为：散列冲突。

• 此时需要用该对象与桶上的对象进行比较，看看该对象是否存在桶上了——如果存在，就不添加了，如果不存在则添加到桶上
• 当然了，如果hashcode函数设计得足够好，桶的数目也足够，这种比较是很少的
• 在JDK1.8中，桶满时会从链表变成平衡二叉树

如果散列表太满，是需要对散列表再散列，创建一个桶数更多的散列表，并将原有的元素插入到新表中，丢弃原来的表：

• 装填因子(load factor)决定了何时对散列表再散列
• 装填因子默认为0.75，如果表中超过了75%的位置已经填入了元素，那么这个表就会用双倍的桶数自动进行再散列

HashMap

图

总结：

• 在JDK8中HashMap的底层是：数组+链表(散列表)+红黑树
• 在散列表中有装载因子这么一个属性，当装载因子*初始容量小于散列表元素时，该散列表会再散列，扩容2倍！
• 装载因子的默认值是0.75，无论是初始大了还是初始小了对我们HashMap的性能都不好
  • 装载因子初始值大了，可以减少散列表再散列(扩容的次数)，但同时会导致散列冲突的可能性变大(散列冲突也是耗性能的操作，得操作链表(红黑树)！
  • 装载因子初始值小了，可以减小散列冲突的可能性，但同时扩容的次数可能就会变多！
• 初始容量的默认值是16，它也一样，无论初始大了还是小了，对我们的HashMap都是有影响的：
  • 初始容量过大，那么遍历时我们的速度就会受影响
  • 初始容量过小，散列表再散列(扩容的次数)可能就变得多，扩容也是一件非常耗费性能的事
• 从源码上我们可以发现：HashMap并不是直接拿key的哈希值来用的，它会将key的哈希值的高16位进行异或操作，使得我们将元素放入哈希表的时候增加一定的随机性。
• 还要值得注意的是：并不是桶上有8位元素的时候它就能变成红黑树，它得同时满足我们的散列表容量大于64才行。

TreeMap

• TreeMap实现了NavigableMap接口，而NavigableMap接口继承着SortedMap接口，致使我们的TreeMap是有序的！
• TreeMap底层是红黑树，它方法的时间复杂度都不会太高:log(n)
• 非同步
• 使用Comparator或者Comparable来比较key是否相等与排序的问题

注意：

1. TreeMap有序是通过Comparator来进行比较的，如果comparator为null，那么就使用自然顺序。
2. key值不能为null。

总结：

TreeMap底层是红黑树，能够实现该Map集合有序。如果在构造方法中传递了Comparator对象，那么就会以Comparator对象的方法进行比较。否则，则使
用Comparable的compareTo(T o)方法来比较。值得说明的是：

• 如果使用的是compareTo(T o)方法来比较，key一定是不能为null，并且得实现了Comparable接口。
• 即使是传入了Comparator对象，不用compareTo(T o)方法来比较，key也是不能为null的。

要点：

1. 由于底层是红黑树，那么时间复杂度可以保证为log(n)
2. key不能为null，为null为抛出NullPointException的
3. 想要自定义比较，在构造方法中传入Comparator对象，否则使用key的自然排序来进行比较
4. TreeMap非同步，想要同步可以使用Collections来封装

Set集合总结

• HashSet：
  无序，允许为null，底层是HashMap(散列表+红黑树)，非线程同步
• TreeSet：
  有序，不允许为null，底层是TreeMap(红黑树),非线程同步
• LinkedHashSet：
  迭代有序，允许为null，底层是HashMap+双向链表，非线程同步