JAVA集合类

 

图中，实线边框的是实现类，比如ArrayList，LinkedList，HashMap等，折线边框的是抽象类，比如AbstractCollection，AbstractList，AbstractMap等，而点线边框的是接口，比如Collection，Iterator，List等。

一、HashMap

　　1、概述

　　HashMap基于哈希表的 Map 接口的实现。此实现提供所有可选的映射操作，并允许使用 null 值和 null 键。（除了不同步和允许使用 null 之外，HashMap 类与 Hashtable 大致相同。）此类不保证映射的顺序，特别是它不保证该顺序恒久不变。

　　值得注意的是HashMap不是线程安全的，如果想要线程安全的HashMap，可以通过Collections类的静态方法synchronizedMap获得线程安全的HashMap。

　　2、HashMap的数据结构

　　HashMap的底层主要是基于数组和链表来实现的，它之所以有相当快的查询速度主要是因为它是通过计算散列码来决定存储的位置。 HashMap中主要是通过key的hashCode来计算hash值的，只要hashCode相同，计算出来的hash值就一样。如果存储的对象对多 了，就有可能不同的对象所算出来的hash值是相同的，这就出现了所谓的hash冲突。学过数据结构的同学都知道，解决hash冲突的方法有很 多，HashMap底层是通过链表来解决hash冲突的。

 

图中，紫色部分即代表哈希表，也称为哈希数组，数组的每个元素都是一个单链表的头节点，链表是用来解决冲突的，如果不同的key映射到了数组的同一位置处，就将其放入单链表中。

 HashMap中Entry类的代码：

/** Entry是单向链表。    
     * 它是 “HashMap链式存储法”对应的链表。    
     *它实现了Map.Entry 接口，即实现getKey(), getValue(), setValue(V value), equals(Object o), hashCode()这些函数  
    **/  
    static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {    
        final K key;    
        V value;    
        // 指向下一个节点    
        Entry<K,V> next;    
        final int hash;    
   
        // 构造函数。    
        // 输入参数包括"哈希值(h)", "键(k)", "值(v)", "下一节点(n)"    
        Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {    
            value = v;    
            next = n;    
            key = k;    
            hash = h;    
        }    
   
        public final K getKey() {    
            return key;    
        }    
   
        public final V getValue() {    
            return value;    
        }    
   
        public final V setValue(V newValue) {    
            V oldValue = value;    
            value = newValue;    
            return oldValue;    
        }    
   
        // 判断两个Entry是否相等    
        // 若两个Entry的“key”和“value”都相等，则返回true。    
        // 否则，返回false    
        public final boolean equals(Object o) {    
            if (!(o instanceof Map.Entry))    
                return false;    
            Map.Entry e = (Map.Entry)o;    
            Object k1 = getKey();    
            Object k2 = e.getKey();    
            if (k1 == k2 || (k1 != null && k1.equals(k2))) {    
                Object v1 = getValue();    
                Object v2 = e.getValue();    
                if (v1 == v2 || (v1 != null && v1.equals(v2)))    
                    return true;    
            }    
            return false;    
        }    
   
        // 实现hashCode()    
        public final int hashCode() {    
            return (key==null   ? 0 : key.hashCode()) ^    
                   (value==null ? 0 : value.hashCode());    
        }    
   
        public final String toString() {    
            return getKey() + "=" + getValue();    
        }    
   
        // 当向HashMap中添加元素时，绘调用recordAccess()。    
        // 这里不做任何处理    
        void recordAccess(HashMap<K,V> m) {    
        }    
   
        // 当从HashMap中删除元素时，绘调用recordRemoval()。    
        // 这里不做任何处理    
        void recordRemoval(HashMap<K,V> m) {    
        }    
    }

HashMap其实就是一个Entry数组，Entry对象中包含了键和值，其中next也是一个Entry对象，它就是用来处理hash冲突的，形成一个链表。

　　3、存储数据

　　下面看看HashMap存储数据的过程是怎样的，首先看看HashMap的put方法：

public V put(K key, V value) {
     // 若“key为null”，则将该键值对添加到table[0]中。
         if (key == null) 
            return putForNullKey(value);
     // 若“key不为null”，则计算该key的哈希值，然后将其添加到该哈希值对应的链表中。
         int hash = hash(key.hashCode());
     //搜索指定hash值在对应table中的索引
         int i = indexFor(hash, table.length);
     // 循环遍历Entry数组,若“该key”对应的键值对已经存在，则用新的value取代旧的value。然后退出！
         for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) { 
             Object k;
              if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) { //如果key相同则覆盖并返回旧值
                  V oldValue = e.value;
                 e.value = value;
                 e.recordAccess(this);
                 return oldValue;
              }
         }
     //修改次数+1
         modCount++;
     //将key-value添加到table[i]处
     addEntry(hash, key, value, i);
     return null;
}

上面程序中用到了一个重要的内部接口：Map.Entry，每个 Map.Entry 其实就是一个 key-value 对。从上面程序中可以看出：当系 统决定存储 HashMap 中的 key-value 对时，完全没有考虑 Entry 中的 value，仅仅只是根据 key 来计算并决定每 个 Entry 的存储位置。这也说明了前面的结论：我们完全可以把 Map 集合中的 value 当成 key 的附属，当系统决定了 key 的存 储位置之后，value 随之保存在那里即可。

我们慢慢的来分析这个函数，第2和3行的作用就是处理key值为null的情况，我们看看putForNullKey(value)方法：

private V putForNullKey(V value) {
     for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
          if (e.key == null) {   //如果有key为null的对象存在，则覆盖掉
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;
           }
       }
       modCount++;
       addEntry(0, null, value, 0); //如果键为null的话，则hash值为0
       return null;
 }

  　　4、数据读取

1.public V get(Object key) {   
2.    if (key == null)   
3.        return getForNullKey();   
4.    int hash = hash(key.hashCode());   
5.    for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];   
6.        e != null;   
7.        e = e.next) {   
8.        Object k;   
9.        if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))   
10.            return e.value;   
11.    }   
12.    return null;   
13.}

从上面的源代码中可以看出：从HashMap中get元素时，首先计算key的hashCode，找到数组中对应位置的某一元素，然后通过key的equals方法在对应位置的链表中找到需要的元素。

 二、 ArrayList

　　1、概述

　　ArrayList是基于数组实现的，是一个动态数组，其容量能自动增长，类似于C语言中的动态申请内存，动态增长内存。

      ArrayList不是线程安全的，只能用在单线程环境下，多线程环境下可以考虑用Collections.synchronizedList(List l)函数返回一个线程安全的ArrayList类，也可以使用concurrent并发包下的CopyOnWriteArrayList类。

      ArrayList实现了Serializable接口，因此它支持序列化，能够通过序列化传输，实现了RandomAccess接口，支持快速随机访问，实际上就是通过下标序号进行快速访问，实现了Cloneable接口，能被克隆。

      每个ArrayList实例都有一个容量，该容量是指用来存储列表元素的数组的大小。它总是至少等于列表的大小。随着向ArrayList中不断添加元素， 其容量也自动增长。自动增长会带来数据向新数组的重新拷贝，因此，如果可预知数　　据量的多少，可在构造ArrayList时指定其容量。在添加大量元素前， 应用程序也可以使用ensureCapacity操作来增加ArrayList实例的容量，这可以减少递增式再分配的数量。 
      注意，此实现不是同步的。如果多个线程同时访问一个ArrayList实例，而其中至少一个线程从结构上修改了列表，那么它必须保持外部同步。

　　2、调整数组容量ensureCapacity

　　每当向数组中添加元素时，都要去检查添加后元素的个数是否会超出当前数组的长度，如果超出，数组将会进行扩容，以满足添加数据的需求。数组扩容通过一个公开 的方法ensureCapacity(int minCapacity)来实现。在实际添加大量元素前，我也可以使用ensureCapacity来手动 增加ArrayList实例的容量，以减少递增式再分配的数量。

public void ensureCapacity(int minCapacity) {  
    modCount++;  
    int oldCapacity = elementData.length;  
    if (minCapacity > oldCapacity) {  
        Object oldData[] = elementData;  
        int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1;  //增加50%+1
            if (newCapacity < minCapacity)  
                newCapacity = minCapacity;  
      // minCapacity is usually close to size, so this is a win:  
      elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);  
    }  
 }

 

 

　　3、注意点

  　 a、注意其三个不同的构造方法。无参构造方法构造的ArrayList的容量默认为10，带有Collection参数的构造方法，将Collection转化为数组赋给ArrayList的实现数组elementData。

      b、注意扩充容量的方法ensureCapacity。ArrayList在每次增加元素（可能是1个，也可能是一组）时，都要调用该方法来确保足够的容 量。当容量不足以容纳当前的元素个数时，就设置新的容量为旧的容量的1.5倍加1，如果设置后的新容量还不够，则直接新容量设置为传入的参数（也就是所需 的容量），而后用Arrays.copyof()方法将元素拷贝到新的数组（详见下面的第3点）。从中可以看出，当容量不够时，每次增加元素，都要将原来 的元素拷贝到一个新的数组中，非常之耗时，也因此建议在事先能确定元素数量的情况下，才使用ArrayList，否则建议使用LinkedList。

      c、ArrayList的实现中大量地调用了Arrays.copyof()和System.arraycopy()方法。我们有必要对这两个方法的实现做下深入的了解。

      首先来看Arrays.copyof()方法。它有很多个重载的方法，但实现思路都是一样的，我们来看泛型版本的源码：

public static <T> T[] copyOf(T[] original, int newLength) {  
    return (T[]) copyOf(original, newLength, original.getClass());  
}

public static <T,U> T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class<? extends T[]> newType) {  
    T[] copy = ((Object)newType == (Object)Object[].class)  
        ? (T[]) new Object[newLength]  
        : (T[]) Array.newInstance(newType.getComponentType(), newLength);  
    System.arraycopy(original, 0, copy, 0,  
                     Math.min(original.length, newLength));  
    return copy;  
}

 

下面来看System.arraycopy()方法。该方法被标记了native，调用了系统的C/C++代码，在JDK中是看不到的，但在openJDK 中可以看到其源码。该函数实际上最终调用了C语言的memmove()函数，因此它可以保证同一个数组内元素的正确复制和移动，比一般的复制方法的实现效 率要高很多，很适合用来批量处理数组。Java强烈推荐在复制大量数组元素时用该方法，以取得更高的效率。

　　d、ArrayList基于数组实现，可以通过下标索引直接查找到指定位置的元素，因此查找效率高，但每次插入或删除元素，就要大量地移动元素，插入删除元素的效率低。

　　e、在查找给定元素索引值等的方法中，源码都将该元素的值分为null和不为null两种情况处理，ArrayList中允许元素为null。

 部分内容来源网络，仅供参考