详解java中的数据结构
线性表,链表,哈希表是常用的数据结构,在进行Java开发时,JDK已经为我们提供了一系列相应的类来实现基本的数据结构。这些类均在java.util包中。本文试图通过简单的描述,向读者阐述各个类的作用以及如何正确使用这些类。
Collection
├List
│├LinkedList
│├ArrayList
│└Vector
│ └Stack
└Set
Map
├Hashtable
├HashMap
└WeakHashMap
Collection接口
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:(使用迭代器)
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。
主要方法:
- boolean add(Object o)添加对象到集合
- boolean remove(Object o)删除指定的对象
- int size()返回当前集合中元素的数量
- boolean contains(Object o)查找集合中是否有指定的对象
- boolean isEmpty()判断集合是否为空
- Iterator iterator()返回一个迭代器
- boolean containsAll(Collection c)查找集合中是否有集合c中的元素
- boolean addAll(Collection c)将集合c中所有的元素添加给该集合
- void clear()删除集合中所有元素
- void removeAll(Collection c)从集合中删除c集合中也有的元素
- void retainAll(Collection c)从集合中删除集合c中不包含的元素
List接口(有序,允许重复)
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。
主要方法:
- void add(int index,Object element)在指定位置上添加一个对象
- boolean addAll(int index,Collection c)将集合c的元素添加到指定的位置
- Object get(int index)返回List中指定位置的元素
- int indexOf(Object o)返回第一个出现元素o的位置
- Object removeint(int index)删除指定位置的元素
- Object set(int index,Object element)用元素element取代位置index上的元素,返回被取代的元素
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)。
主要方法:
- Boolean add(Object o)将指定元素添加到列表的末尾
- Boolean add(int index,Object element)在列表中指定位置加入指定元素
- Boolean addAll(Collection c)将指定集合添加到列表末尾
- Boolean addAll(int index,Collection c)在列表中指定位置加入指定集合
- Boolean clear()删除列表中所有元素
- Boolean clone()返回该列表实例的一个拷贝
- Boolean contains(Object o)判断列表中是否包含元素
- Boolean ensureCapacity(int m)增加列表的容量,如果必须,该列表能够容纳m个元素
- Object get(int index)返回列表中指定位置的元素
- Int indexOf(Object elem)在列表中查找指定元素的下标
- Int size()返回当前列表的元素个数
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(常采用set去除list里的重复元素)
Set是一种不包含重复的元素的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。
Map用于保存具有映射关系的数据,Map里保存着两组数据:key和value,它们都可以使任何引用类型的数据,但key不能重复。所以通过指定的key就可以取出对应的value。Map接口定义了如下常用的方法:
- boolean equals(Object o)比较对象
- boolean remove(Object o)删除一个对象
- put(Object key,Object value)添加key和value
-
1、void clear():删除Map中所以键值对。
2、boolean containsKey(Object key):查询Map中是否包含指定key,如果包含则返回true。
3、boolean containsValue(Object value):查询Map中是否包含指定value,如果包含则返回true。
4、Set entrySet():返回Map中所包含的键值对所组成的Set集合,每个集合元素都是Map.Entry对象(Entry是Map的内部类)。
5、Object get(Object key):返回指定key所对应的value,如Map中不包含key则返回null。
6、boolean isEmpty():查询Map是否为空,如果空则返回true。
7、Set keySet():返回该Map中所有key所组成的set集合。
8、Object put(Object key,Object value):添加一个键值对,如果已有一个相同的key值则新的键值对覆盖旧的键值对。
9、void putAll(Map m):将指定Map中的键值对复制到Map中。
10、Object remove(Object key):删除指定key所对应的键值对,返回可以所关联的value,如果key不存在,返回null。
11、int size():返回该Map里的键值对的个数。
12、Collection values():返回该Map里所有value组成的Collection。
Map中包含一个内部类:Entry。该类封装了一个键值对,它包含了三个方法:
1、Object getKey():返回该Entry里包含的key值。
2、Object getValue():返回该Entry里包含的value值。
3、Object setValue(V value):设置该Entry里包含的value值,并返回新设置的value值。
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”);
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与HashTable的区别:
1、 同步性:Hashtable是同步的,这个类中的一些方法保证了Hashtable中的对象是线程安全的。而HashMap则是异步的,因此HashMap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HashMap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,从而提高效率。
2、 值:HashMap可以让你将空值作为一个表的条目的key或value,但是Hashtable是不能放入空值的。HashMap最多只有一个key值为null,但可以有无数多个value值为null。
注意:
1、用作key的对象必须实现hashCode和equals方法。
2、不能保证其中的键值对的顺序
3、尽量不要使用可变对象作为它们的key值。
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。
WeakHashMap与HashMap的用法基本相同,区别在于:后者的key保留对象的强引用,即只要HashMap对象不被销毁,其对象所有key所引用的对象不会被垃圾回收,HashMap也不会自动删除这些key所对应的键值对对象。但WeakHashMap的key所引用的对象没有被其他强引用变量所引用,则这些key所引用的对象可能被回收。WeakHashMap中的每个key对象保存了实际对象的弱引用,当回收了该key所对应的实际对象后,WeakHashMap会自动删除该key所对应的键值对。
public static void main(String[] args) {
WeakHashMap w1=new WeakHashMap();
//添加三个键值对,三个key都是匿名字符串,没有其他引用
w1.put("语文", "良好");
w1.put("数学", "及格");
w1.put("英语", "中等");
w1.put("java", "good");//该key是一个系统缓存的字符串对象
System.out.println(w1 );//输出{java=good, 数学=及格, 英语=中等, 语文=良好}
//通知系统进行垃圾回收
System.gc();
System.runFinalization();
System.out.println(w1 );//输出{java=good},没有其他引用的键值对都被回收
}
TreeMap:
Map接口派生了一个SortMap子接口,SortMap的实现类为TreeMap。TreeMap也是基于红黑树对所有的key进行排序,有两种排序方式:自然排序和定制排序。
Treemap的key以TreeSet的形式存储,对key的要求与TreeSet对元素的要求基本一致。
1、Map.Entry firstEntry():返回最小key所对应的键值对,如Map为空,则返回null。
2、Object firstKey():返回最小key,如果为空,则返回null。
3、Map.Entry lastEntry():返回最大key所对应的键值对,如Map为空,则返回null。
4、Object lastKey():返回最大key,如果为空,则返回null。
5、Map.Entry higherEntry(Object key):返回位于key后一位的键值对,如果为空,则返回null。
6、Map.Entry lowerEntry(Object key):返回位于key前一位的键值对,如果为空,则返回null。
7、Object lowerKey(Object key):返回位于key前一位key值,如果为空,则返回null。
8、NavigableMap subMap(Object fromKey,boolean fromlnclusive,Object toKey,boolean toInciusive):返回该Map的子Map,其key范围从fromKey到toKey。
9、SortMap subMap(Object fromKey,Object toKey );返回该Map的子Map,其key范围从fromkey(包括)到tokey(不包括)。
10、SortMap tailMap(Object fromkey ,boolean inclusive):返回该Map的子Map,其key范围大于fromkey(是否包括取决于第二个参数)的所有key。
11、 SortMap headMap(Object tokey ,boolean inclusive):返回该Map的子Map,其key范围小于tokey(是否包括取决于第二个参数)的所有key。
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。