Java数据结构之List，Set，Map

 

java.util包中三个重要的接口及特点：List（列表）、Set（保证集合中元素唯一）、Map（维护多个key-value键值对，保证key唯一）。其不同子类的实现各有差异，如是否同步（线程安全）、是否有序。

常用类继承树：

以下结合源码讲解常用类实现原理及相互之间的差异。

Collection （所有集合类的接口）
List、Set都继承自Collection接口，查看JDK API，操作集合常用的方法大部分在该接口中定义了。

 

Collections （操作集合的工具类）
对于集合类的操作不得不提到工具类Collections，它提供了许多方便的方法，如求两个集合的差集、并集、拷贝、排序等等。
由于大部分的集合接口实现类都是不同步的，可以使用Collections.synchronized*方法创建同步的集合类对象。
如创建一个同步的List：
List synList = Collections.synchronizedList(new ArrayList());
其实现原理就是重新封装new出来的对象，操作对象时用关键字synchronized同步。看源码很容易理解。
Collections部分源码：

static class SynchronizedCollection implements Collection, Serializable {  
   
        final Collection c;  // Backing Collection  
        final Object mutex;     // Object on which to synchronize  
   
        SynchronizedCollection(Collection c) {  
            if (c==null)  
                throw new NullPointerException();  
            this.c = c;  
            mutex = this;  
        }  
        //...  
        public boolean add(E e) {  
            //操作集合时简单调用原本的ArrayList对象，只是做了同步  
            synchronized (mutex) {return c.add(e);}  
        }  
} 

List （列表）

ArrayList、Vector是线性表，使用Object数组作为容器去存储数据的，添加了很多方法维护这个数组，使其容量可以动态增长，极大地提升了开发效率。它们明显的区别是ArrayList是非同步的，Vector是同步的。不用考虑多线程时应使用ArrayList来提升效率。
ArrayList、Vector 部分源码：

public boolean add(E e) {  
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!  
    //可以看出添加的对象放到elementData数组中去了  
    elementData[size++] = e;  
    return true;  
}  
//ArrayList.remove  
public E remove(int index) {  
    rangeCheck(index);  
   
    modCount++;  
    E oldValue = elementData(index);  
   
    int numMoved = size - index - 1;  
    if (numMoved > 0)  
        //移除元素时数组产生的空位由System.arraycopy方法将其后的所有元素往前移一位，System.arraycopy调用虚拟机提供的本地方法来提升效率  
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,  
                         numMoved);  
    elementData[--size] = null; // 让java虚拟机里面的GC来处理
   
    return oldValue;  
}  
   
//Vector add方法上多了synchronized关键字  
public synchronized boolean add(E e) {  
    modCount++;  
    ensureCapacityHelper(elementCount + 1);  
    elementData[elementCount++] = e;  
    return true;  
}  

LinkedList是链表，链表随机位置插入、删除数据时比线性表快，遍历比线性表慢。
双向链表原理图：

LinkedList部分源码：

public class LinkedList  
extends AbstractSequentialList  
implements List, Deque, Cloneable, java.io.Serializable  
{  
    //头尾节点  
    transient Node first;  
    transient Node last;  
}  
//节点类  
 private static class Node {  
    //节点存储的数据  
    E item;  
    Node next;  
    Node prev;  
    Node(Node prev, E element, Node next) {  
        this.item = element;  
        this.next = next;  
        this.prev = prev;  
    }  
}  

由此可根据实际情况来选择使用ArrayList（非同步、非频繁删除时选择）、Vector（需同步时选择）、LinkedList（频繁在任意位置插入、删除时选择）。

Map（存储键值对，key唯一）

HashMap结构的实现原理是将put进来的key-value封装成一个Entry对象存储到一个Entry数组中，位置（数组下标）由key的哈希值与数组长度计算而来。如果数组当前下标已有值，则将数组当前下标的值指向新添加的Entry对象。
有点晕，看图吧：

public class HashMap  
extends AbstractMap  
implements Map, Cloneable, Serializable  
{  
    transient Entry[] table;  
    public V put(K key, V value) {  
        if (key == null)  
            return putForNullKey(value);  
        int hash = hash(key);  
        int i = indexFor(hash, table.length);  
        //遍历当前下标的Entry对象链，如果key已存在则替换  
        for (Entry e = table[i]; e != null; e = e.next) {  
        Object k;  
        if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {  
            V oldValue = e.value;  
            e.value = value;  
            e.recordAccess(this);  
            return oldValue;  
        }  
    }  
       addEntry(hash, key, value, i);  
        return null;  
    }  
}  
static class Entry implements Map.Entry {  
    final K key;  
    V value;  
    Entry next;  
    int hash;  
}  

TreeMap是由Entry对象为节点组成的一颗红黑树，put到TreeMap的数据默认按key的自然顺序排序，new TreeMap时传入Comparator自定义排序。红黑树网上很多资料，自己查阅。

Set（保证容器内元素唯一性）
之所以先讲Map是因为Set结构其实就是维护一个Map来存储数据的，利用Map结构key值唯一性。
HashSet部分源码：

public class HashSet  
extends AbstractSet  
implements Set, Cloneable, java.io.Serializable  
{      
   
    //无意义对象来作为Map的value   
    private static final Object PRESENT = new Object();  
    public boolean add(E e) {  
        return map.put(e, PRESENT)==null;  
    }  
}  

 HashMap 支持key=null 但是 Hashtable 不支持 key =null  
  

HashMap和Hashtable的区别

HashMap和Hashtable都实现了Map接口，但决定用哪一个之前先要弄清楚它们之间的分别。主要的区别有：线程安全性，同步(synchronization)，以及速度。

1. HashMap几乎可以等价于Hashtable，除了HashMap是非synchronized的，并可以接受null(HashMap可以接受为null的键值(key)和值(value)，而Hashtable则不行)。
2. HashMap是非synchronized，而Hashtable是synchronized，这意味着Hashtable是线程安全的，多个线程可以共享一个Hashtable；而如果没有正确的同步的话，多个线程是不能共享HashMap的。Java 5提供了ConcurrentHashMap，它是HashTable的替代，比HashTable的扩展性更好。
3. 另一个区别是HashMap的迭代器(Iterator)是fail-fast迭代器，而Hashtable的enumerator迭代器不是fail-fast的。所以当有其它线程改变了HashMap的结构（增加或者移除元素），将会抛出ConcurrentModificationException，但迭代器本身的remove()方法移除元素则不会抛出ConcurrentModificationException异常。但这并不是一个一定发生的行为，要看JVM。这条同样也是Enumeration和Iterator的区别。
4. 由于Hashtable是线程安全的也是synchronized，所以在单线程环境下它比HashMap要慢。如果你不需要同步，只需要单一线程，那么使用HashMap性能要好过Hashtable。
5. HashMap不能保证随着时间的推移Map中的元素次序是不变的。

要注意的一些重要术语：

1) sychronized意味着在一次仅有一个线程能够更改Hashtable。就是说任何线程要更新Hashtable时要首先获得同步锁，其它线程要等到同步锁被释放之后才能再次获得同步锁更新Hashtable。

2) Fail-safe和iterator迭代器相关。如果某个集合对象创建了Iterator或者ListIterator，然后其它的线程试图“结构上”更改集合对象，将会抛出ConcurrentModificationException异常。但其它线程可以通过set()方法更改集合对象是允许的，因为这并没有从“结构上”更改集合。但是假如已经从结构上进行了更改，再调用set()方法，将会抛出IllegalArgumentException异常。

3) 结构上的更改指的是删除或者插入一个元素，这样会影响到map的结构。

我们能否让HashMap同步？

HashMap可以通过下面的语句进行同步：
Map m = Collections.synchronizeMap(hashMap);

结论

Hashtable和HashMap有几个主要的不同：线程安全以及速度。仅在需要完全的线程安全的时候使用Hashtable，而如果使用Java 5或以上的话，就使用ConcurrentHashMap。

HashSet、TreeSet分别默认维护一个HashMap、TreeMap。

转载于:https://www.cnblogs.com/404NOTFoundNEO/p/9070349.html