jdk 集合大家族之Collection

jdk 集合大家族之Collection

前言：

  此处的集合指的是java集合框架中的实现了Collection接口相关的类。所以主要为List Set 和 Queue 其他章节会专门介绍Map相关。

1. List

1.1 ArrayList

• 从数组中间删除某个元素需要很大代价，因为被删除之后的元素都要向数组的前端移动
• 适合查找和修改
• ArrayList底层通过数组实现
  • 顺序存储
  • 读取 存入操作方便
  • 插入、删除操作不方便

1.1.1 ArrayList分析 (jdk 8)

从ArrayList 的初始化开始说起

• 无参构造函数
  • 创建默认容量为10的数组

  /**
     * Constructs an empty list with an initial capacity of ten.
     */
    public ArrayList() {
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
  

• 有参构造函数
  • 根据容量的

  /**
     * Constructs an empty list with the specified initial capacity.
     *
     * @param  initialCapacity  the initial capacity of the list
     * @throws IllegalArgumentException if the specified initial capacity
     *         is negative
     */
    public ArrayList(int initialCapacity) {
        if (initialCapacity > 0) {
        // 直接指定 没有扩容操作
            this.elementData = new Object[initialCapacity];
        } else if (initialCapacity == 0) {
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        } else {
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                               initialCapacity);
        }
    }
  

  • 使用集合作为参数

  /**
     * Constructs a list containing the elements of the specified
     * collection, in the order they are returned by the collection's
     * iterator.
     *
     * @param c the collection whose elements are to be placed into this list
     * @throws NullPointerException if the specified collection is null
     */
    public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
        elementData = c.toArray();
        if ((size = elementData.length) != 0) {
            // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
            if (elementData.getClass() != Object[].class)
                elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
        } else {
            // replace with empty array.
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        }
    }
  

类的成员变量

    private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;

    /**
     * Default initial capacity.
     */
     // 默认容量
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

    /**
     * Shared empty array instance used for empty instances.
     */
    private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

    /**
     * Shared empty array instance used for default sized empty instances. We
     * distinguish this from EMPTY_ELEMENTDATA to know how much to inflate when
     * first element is added.
     */
    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

    /**
     * The array buffer into which the elements of the ArrayList are stored.
     * The capacity of the ArrayList is the length of this array buffer. Any
     * empty ArrayList with elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
     * will be expanded to DEFAULT_CAPACITY when the first element is added.
     */
    transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access

    /**
     * The size of the ArrayList (the number of elements it contains).
     *
     * @serial
     */
    private int size;
    
    // 数组最大的长度 其中通过最终的hugeCapacity()可以突破这个限制达到Integer.MAX_VALUE
    // 数组需要-8: 有些虚拟机在数组中保留了一些头信息。避免内存溢出
     /**
     * The maximum size of array to allocate.
     * Some VMs reserve some header words in an array.
     * Attempts to allocate larger arrays may result in
     * OutOfMemoryError: Requested array size exceeds VM limit
     */
    private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

需要注意的是ArrayList存储的最大量其实跟你设置的内存也是有关系的。

ArrayList 的删除操作

public boolean remove(Object o) {
        if (o == null) {
            for (int index = 0; index < size; index++)
                if (elementData[index] == null) {
                    fastRemove(index);
                    return true;
                }
        } else {
            for (int index = 0; index < size; index++)
                if (o.equals(elementData[index])) {
                    fastRemove(index);
                    return true;
                }
        }
        return false;
    }

    /*
     * Private remove method that skips bounds checking and does not
     * return the value removed.
     */
    private void fastRemove(int index) {
        modCount++;
        int numMoved = size - index - 1;
        if (numMoved > 0)
            // 将index后面的舒服复制到index处
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);
                             //置空
        elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
    }

ArrayList 的扩容

• 通过grow函数 创建一个新的数组，赋予新的长度然后覆盖掉原来的数组

   // 添加函数
   public boolean add(E e) {
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }
     private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
    }
    private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);//空数组扩容默认值和需要的长度 取最大值
        }
        return minCapacity;
    }
    private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        // modCount: 继承自AbstractList 用于防止一个迭代器(Iterator)对集合进行修改而另一个迭代器对其进行遍历时，产生混乱的现象(并发场景下)。与modCount 搭配的是 expectedModCount
        modCount++;

        // overflow-conscious code
        // 需要的长度比数组长度大，此时确实需要扩容
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }
     private void grow(int minCapacity) {
        // overflow-conscious code
        int oldCapacity = elementData.length;
        // 目标扩容为原数组长度的1.5倍
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        // 需要的长度比计算值大的话 取最大值
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
        // 如果计算后的值比ArrayList 的MAX_ARRAY_SIZE属性还要大的话，进行终极扩容
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
        // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
        // 拷贝到新数组中
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }

    private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
        // 溢出
        if (minCapacity < 0) // overflow
            throw new OutOfMemoryError();
            // 最大值为Integer.MAX_VALUE 此时多余的会被舍弃掉
        return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
            Integer.MAX_VALUE :
            MAX_ARRAY_SIZE;
    }

1.2 LinkedList

• 随机访问第n个元素需要从头开始，如果大于size()/2 则从尾端开始搜索
• 相比数组实现的ArrayList
  • 提供了无界队列功能下面有说到
  • 插入删除时较arrayList 好
  • 适合插入和删除
• ListIterator 接口提供两个方法可以反向遍历链表
  • previous
  • hasPrevious

1.3 Vector

• 线程安全 因为需要同步所以会耗费大量时间
• 通过synchronized实现加锁

2. Set

2.1 HashSet

散列集

• 通过散列表为每个对象计算一个散列码，也称之为hash code 它是一个整数(可以是负数)
• 通过链表数组实现
  • 数组的部分被称之为桶（bucket）
  • 桶默认16个
  • 当装填因子0.75，表中超过75%的位置已经被填入则会用双倍的桶数自动进行再散列（扩容并重新计算hash code）
  • jdk8 中桶满时会从链表变为平衡二叉树
• 相比较于List
  • 不可重复
  • 无序
  • 可快快速查看某个元素，而不必遍历List来查找
• 底层实现通过HashMap
  • 将值放到key中 value为空的object

2.2 TreeSet

• 树集比散列集有所改进，是一个有序的集合
  • 因此迭代器是以排好的顺序来访问每个元素的
  • 排序的规则是实现 Coompareable接口或使用Comparator
• 排序是通过树结构来完成的(红黑树)
• 相比较散列集而言，插入时会有一个排序的过程，所以会慢一些(慢多少是根据数据而言，或许相差很小)

3. Queue

• Deque: 双端队列 ，有两个端头的队列。不支持在队列中间添加元素
• java 中的链表都是都是双向链接的
• 队列的实现方式有两种： 数组或链表

3.1 ArrayDeque

• 通过数组实现
• 有边界 但是效率高

3.2 LinkedList

• 通过链表实现
• 无边界 没有数组实现效率高

3.3 PriorityQueue

优先级队列

• 优先级队列的典型案例是任务调度
  • 每当启动一个新的任务时，都将优先级最高的任务从队列中删除)
  • 1 设为“最高” 优先
• 通过堆来实现的 ，自我调整的二叉树 可以在删除和添加操作时，让最小的元素移动到根。

比较

• 如果需要收集的对象没有上限就使用链表，如果是一个有界的(容量有限)，就使用数组实现。

参考资料

• java核心技术卷一