开发高性能JAVA应用程序基础(集合篇)

集合类在开发中使用非常频繁，使用时合理的选择对提高性能小有帮助。而且大部分面试都会有与集合相关的问题，例如ArrayList和LinkedList的对比。

了解API的集成与操作架构，才能了解何时该采用哪个类，而不会只能抄写范例。本文也尝试用一些现实生活中的物品来描述各个集合类的特性，仅仅是帮助快速理解和记忆，不必太过较真。

首先看类结构图：

按用途分为可重复收集对象的List、不可重复的Set和键值对应的Map三个顶层接口，对应三个最常用的实现类是ArrayList、HashSet和HashMap，如果没有其他的限制它们应该是默认的选择。

注意Vector、Hashtable和Stack上都有Legacy字样，如果不是为了兼容旧代码，不应再使用这三个类。

一、ArrayList对比LinkedList

很多文章介绍时直接说ArrayList查询快插入慢，LinkedList插入删除快，但是这个是有前提的。

代码为证：

public static void main(String[] args) {
    List<Integer> array1 = new ArrayList<>(), array2 = new ArrayList<>();
    List<Integer> link1 = new LinkedList<>(), link2 = new LinkedList<>();
    for(int i = 0; i < 100000; i++) {
        array1.add(i); array2.add(i);
        link1.add(i); link2.add(i);
    }
    System.out.println("从0开始ArrayList消耗:" + getTime(array1, 0));
    System.out.println("从0开始LinkedList消耗:" + getTime(link1, 0));
    System.out.println("从50000开始ArrayList消耗:" + getTime(array2, 50000));
    System.out.println("从50000开始LinkedList消耗:" + getTime(link2, 50000));
}

public static long getTime(List<Integer> list, int index){
       long start = System.nanoTime();
       for(int i = 0; i< 100000; i++){
           list.add(index, i);
       }
       return TimeUnit.MILLISECONDS.convert(System.nanoTime() - start, TimeUnit.NANOSECONDS);
   }

从0开始ArrayList消耗:3701
从0开始LinkedList消耗:17
从50000开始ArrayList消耗:2370
从50000开始LinkedList消耗:13363

来分析：

ArrayList内部使用Object数组来保存收集的对象，数组在内存中是连续的线性空间。可以想象成一排紧紧排列的桌子，因为紧密连接距离较短，随机找到某个位置(索引)的桌子会比较快，但是如果想在中间某个位置插入一个新的桌子，那必须把排在后面的桌子一张一张向后移动，以空出一个位置。同样，如果删除一个桌子(怪异的说法)，则需要把后面一张一张向前移动。如果是更换呢，很简单，搬走一张桌子，把新的放在原来的位置(快)。

LinkedList内部是双向链表结构，形象是一个用线串联的珠串，两个珠子之间的线可能非常长。如果想找到某一个位置的珠子，必须从头开始，沿着线一个接一个的向后找(查询慢)。如果想在两个珠子之间插入一个新的，那就很简单了，把中间的线拆开，新珠子两端的线分别接上。删除同样简单。

那么为什么测试结果中LinkedList第二次表现远远落后呢？原因是想插入首先必须先定位到位置，第二次测试选定从索引50000开始，LinkedList每次操作前都需要从0开始寻址到50000，查询消耗大量时间，所以实际执行很慢。

LinkedList可以当作Stack和Queue使用，这是ArrayList不具备的。

二、HashMap和TreeMap

HashMap内部使用一个名为Entry的内部类数组保存key-value对，使用无参构造方法的情况下， 创建一个长度为16（capacity）的数组。其中的16个存储位置通常称为哈希桶。当存储一个Entry对象时，首先通过key的hashCode()获得一个整形的散列码，和数组长度做取模计算获得位置索引。

那么一个明显的问题是，如果两个key经过上面的计算后得到一个相同的位置索引怎么办？这种情况称为哈希冲突，HashMap解决的办法是把新Entry和原来位置的Entry建立起链表，如果再有第三个相同index的key加进来，那么继续加在链表的前部。一个帮助记忆的形象是皇帝冠冕前的多列垂珠。

调用get(key)方法查找时，先通过hashCode()和取模计算获得第几个桶，再对桶上的链表遍历列表并通过key.equals()逐个比较来确定对象。

这样看来如果链表过长，也会影响查询速度，这时候就是负载因子（load factor）出场的时候了。当HashMap中已存入的对象数量超过capacity * load factor时，会对数组扩容，变为原来的两倍。

一些优化提示：

1 如果开发时已经预知HashMap要存入的对象数量，可以直接指定初始容量，避免频繁扩容

2 int和String非常适合当作key

3 如果key使用自己的对象，那么一个好的hashCode()算法非常重要，应该使对象尽可能均匀的分布在各哈希桶，同时应该覆盖equals方法。Effective Java书中对怎样实现一个像样的hashCode()给出了指导。

TreeMap基于红黑树结构实现，理论上来说各方面性能都比HashMap差，使用它的唯一理由就是排序。在使用keySet对TreeMap遍历时，按照key的compareTo方法排序输出。

三、HashSet、TreeSet、LinkedHashSet、LinkedHashMap

HashSet是最常用的Set类，内部借助HashMap实现，特性可以直接参考HashMap。

TreeSet内部借助于TreeMap实现，同理使用它的理由也是获得排序后的对象列表。

LinkedHashSet 与HashSet类似，区别是使用iterator遍历时，LinkedHashSet按照对象插入的顺序输出。理论上插入时性能比HashSet差。

LinkedHashMap 与HashMap类似，区别是遍历时，按照对象插入的顺序输出。LinkedHashMap有一个三个参数的构造方法：

public LinkedHashMap(int initialCapacity, float loadFactor, boolean accessOrder)

如果第三个参数设置为true，排序方式为按照访问顺序排序，可以借助该功能实现简单的采用"最近最少使用"失效算法(LRU)的缓存。

四、线程安全

上面提到的类中，除了Vector和Hashtable，全部都是线程不安全的。

示例1：

public static void main(String[] args) {
    ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();
    Thread t1 = new Thread() {
        public void run() {
            while(true) {
                list.add(1);
            }
        }
    };
    Thread t2 = new Thread() {
        public void run() {
            while(true) {
                list.add(2);
            }
        }
    };
    t1.start();
    t2.start();
}

执行结果：

Exception in thread "Thread-1" java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: 549
    at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:444)
    at Program$2.run(Program.java:28)

分析：ArrayList的add方法演示代码

public void add(Object o) {
    if(next == list.length) {
        list = Arrays.copyOf(list, list.length * 2);
    }
    list[next++] = o;
}

ArrayList在添加对象时先判断数组是否已满，如果已满则扩容。多线程状态下，当next ==list.length-1时，两个线程轮流切换执行都不符合扩容条件进入下一步，此时第一个线程执行赋值并把next+1，第二个线程执行时next=list.length，出现ArrayIndexOutOfBoundsException。

示例2：

public class ArrayListDemo implements Runnable {

    static ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();
    static CountDownLatch latch = new CountDownLatch(10000);
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
        for(int i = 0; i < 10000; i++) {
            exec.execute(new ArrayListDemo());
        }
        latch.await();
        System.out.println("list.size()=" + list.size());
    }

    @Override
    public void run() {
        list.add(1);
        latch.countDown();
    }
}

执行结果：

list.size()=9977

示例3：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    HashMap<String, String> map = new HashMap<>();
    map.put("a", "a");
    Iterator<String> iter = map.keySet().iterator();
    ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
    exec.execute(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            map.put("b", "b");
        }
    });
    exec.shutdown();
    while(iter.hasNext()) {
        System.out.println(iter.next());
    }
}

执行结果：

Exception in thread "main" java.util.ConcurrentModificationException
    at java.util.HashMap$HashIterator.nextNode(HashMap.java:1429)
    at java.util.HashMap$KeyIterator.next(HashMap.java:1453)
    at ArrayListDemo.main(ArrayListDemo.java:34)

多线程下安全读写集合类有三种常见办法：

1 JDK5以后首选concurrent包下的集合类，包括ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet

2 读写操作时加锁，使用synchronized关键字或者java.util.concurrent.locks下的类

3 使用Collections.synchronizedList、Collections.synchronizedMap等方法获得线程安全集合。