分布式Java应用之集合框架篇（上）

前言：Java程序员开发程序时，必定会使用JDK中提供的集合类来完成功能模块的开发，而JDK是Java规范的实现，不同厂商提供的JDK也多少会存在一些差异，那么，如何选用合适的集合类实现应用中的具体需求，是每个Java程序员在实际开发中必须解决的一个问题；解决这一问题就需要我们对JDK中集合类的相关实现有一个清晰的认识！

本文首先从全局角度对JDK中的集合包进行一个分析，接着对JDK中常用的集合类的关键实现进行源码分析和比较，最后对本文的内容进行归纳总结，希望能够能够帮助读者从整体与局部两方面认识和理解JDK中的集合以及对应的选择使用！

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首先，给出集合框架总体UML图：

注意：上述UML图仅仅给出了本文主要讨论的集合的接口以及实现类的关系图，对于一些其他的类图关系并没有给出，目的在于将接口与实现类之间的关系清晰化；

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分析：

Collection接口存放一个个的单个对象，Collection接口下有两个子接口：List接口以及Set接口；

• List接口：元素按序存放、可重复、允许元素为null
• 常用实现类：
  • ArrayList
  • LinkedList
  • Vector
  • Stack
• Set接口：元素无序存放、不可重复、允许元素为null
• 常用实现类：
  • HashSet
  • TreeSet

Map接口存放Key-Value形式的键值对，Key不可重复，Value可重复；

• 常用实现类：
  • HashMap
  • Hashtable
  • TreeMap

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接着，对每一个具体的实现类中常用方法的实现进行源码分析（基于JDK1.8）；

首先，看一下List接口的实现类：ArrayList、LinkedList以及Vector；主要从底层存储结构、实例构造、添加元素、删除元素、查找元素以及遍历元素这些方面进行分析；

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• ArrayList
  • 底层结构及相关属性

   /**
   * 默认初始化容量
   */
  private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
  /**
   * ArrayList用于存放元素的数组
   * ArrayList的容量为数组的长度
   */
  transient Object[] elementData; // 非私有属性，便于内部类访问
   /**
   * ArrayList实例中包含的元素个数
   */
  private int size;
  

  • 构造函数

  /**
   *共享的空数组对象，当含参构造器的初始化容量为0时，使用的底层数组
   */
  private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
  /**
   * 共享的空数组对象，用于无参构造函器使用，区别于EMPTY_ELEMENTDATA数组的是，
   * 当第一次添加元素时，会初始化底层数组为长度为10的数组
   */
  private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
  /**
   * 根据指定参数实例化对象
   * @param  initialCapacity ArrayList实例的初始化容量
   * @throws IllegalArgumentException 如果指定参数为负数，抛出异常
   */
  public ArrayList(int initialCapacity) {
      if (initialCapacity > 0) {
          this.elementData = new Object[initialCapacity];
      } else if (initialCapacity == 0) {
          this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;//
      } else {
          throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                  initialCapacity);
      }
  }
  /**
   * 构造一个空数组，当第一次添加元素时，会将底层数组替换为长度为10的数组
   */
  public ArrayList() {
      this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
  }
  

  注意：该构造函数的设计是JDK1.8新添的懒初始化特性
  • 添加元素

  protected transient int modCount = 0;
  /**
   * 向数组尾部添加指定元素
   * @param e 待添加的元素
   * @return true 添加成功返回true
   */
  public boolean add(E e) {
      //判断当前数组的长度是否足够容纳新元素，如果长度不够，需要进行扩容
      ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
      //插入元素
      elementData[size++] = e;
      return true;
  }
  /**
   * 判断当前数组长度是否足够
   * @param minCapacity
   */
  private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
      //判断是否第一次添加，第一次添加元素需要初始化数组
      if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
          minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
      }
      //再次判断数组长度是否足够
      ensureExplicitCapacity(minCapacity);
  }
  //纯判断数组长度是否足够
  private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
      modCount++;//添加元素属于实例结构变更，需要记录
      // 判断是否需要扩容
      if (minCapacity - elementData.length > 0)
          grow(minCapacity);
  }
  /**
   * 数组可以分配的最大长度
   */
  private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
  /**
   * 扩容以保证能够存放个数为minCapacity的元素
   * @param minCapacity the desired minimum capacity
   */
  private void grow(int minCapacity) {
      // 扩容代码
      int oldCapacity = elementData.length;
      // 1.5倍扩容
      int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
      // 取两者的较大值
      if (newCapacity - minCapacity < 0)
          newCapacity = minCapacity;
      // 不能超过最大数组的长度
      if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
          newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
      // 拷贝原有数组的元素到新数组中
      elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
  }
  private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
      if (minCapacity < 0) // 溢出
          throw new OutOfMemoryError();
      return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
              Integer.MAX_VALUE :
              MAX_ARRAY_SIZE;
  }
  

  过程梳理：
  首先，判断数组是否第一次添加元素，如果是，初始化数组为长度为10的数组，并添加元素；如果不是，判断当前数组中元素个数+1的值是否超出当前数组长度，如果未超出，则modCount加一，同时，将新元素插入底层数组；如果超出，则modCount加一，同时，进行初步扩容（1.5倍），并对初步扩容之后的容量进行合法判断，保证不能溢出，以及超出允许的数组最大长度，复制原数组中的元素到扩容后的新数组中，用新数组更新底层数组，并添加新元素；
  • 删除元素

  /**
    * 删除第一个出现的与指定参数相等的元素（注意指定参数可以为null）
    * @param o 待删除的元素（如果存在的话）
    * @return true 如果存在指定元素，并删除成功返回true
    */
   public boolean remove(Object o) {
       //如果待删除元素为null，使用==判断是否相等
       if (o == null) {
           for (int index = 0; index < size; index++)
               if (elementData[index] == null) {
                   //找到元素位置，调用具体的删除方法
                   fastRemove(index);
                   return true;
               }
       } else {
           //如果待删除元素不为null，使用equals判断是否相等
           for (int index = 0; index < size; index++)
               if (o.equals(elementData[index])) {
                   //找到元素位置，调用具体的删除方法
                   fastRemove(index);
                   return true;
               }
       }
       return false;
   }
  
   /*
    * 不需要判断是否越界，快速删除
    */
   private void fastRemove(int index) {
       modCount++;
       int numMoved = size - index - 1;
       if (numMoved > 0)
           System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                   numMoved);
       elementData[--size] = null; // 帮助GC回收待删除的元素
   }
  

  过程梳理：
  分情况进行查找待删除元素，待删除元素为null，则使用==进行查找；待删除元素不为null，则使用equals进行查找；找到之后，调用System.arraycopy，复制待删除元素之后的元素到原数组（左移覆盖），最后释放最后一个元素，已达到删除的效果；
  • 查找元素
    查找元素过程简单，首先判断给定索引位置是否合法，合法直接返回索引处的元素，否则，抛出异常；
  • 遍历元素

  private class Itr implements Iterator<E>{
  //省略具体实现
  }
  public Iterator<E> iterator() {
          return listIterator();
      }
  

  元素的遍历可以通过调用iterator()方法返回的Iterator对象进行遍历，注意返回的Iterator对象是ArrayList内部实现的Itr内部类的对象；遍历的过程不难，需要注意的是，ArrayList对象的遍历是快速失败的，即在迭代的过程中，如果发现modCout与开始遍历之前的modCount值不同，将会停止遍历，抛出ConcurrentModificationException异常；

小结：

ArrayList底层基于数组实现，采用1.5倍扩容机制，懒初始化以及非线程安全；

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• LinkedList
  • 底层结构

  /**
    * 指向第一个节点的指针，如果为null，则指向最后一个节点的指针也为null
    */
   transient LinkedList.Node<E> first;
   /**
    * 指向最后一个节点的指针，如果为null，则指向第一个节点的指针也为null
    */
   transient LinkedList.Node<E> last;
   /**
    * 静态内部类，存放元素的节点类
    * @param 
    */
   private static class Node<E> {
       E item;//链表中存放的元素
       Node<E> next;//指向后继节点的指针
       Node<E> prev;//指向上一节点的指针
       //构造函数
       Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
           this.item = element;
           this.next = next;
           this.prev = prev;
       }
   }
   /**
    * 构造一个空链表
    */
   public LinkedList() {
   }
  

  注意：LinkedList是基于链表结构实现的，且链表是双向链表；元素存放到LinkedList，需要先包装成一个节点，然后在插入链表；
  • 添加元素

  //底层结构调整次数
  protected transient int modCount = 0;
  /**
   * 添加指定元素到线性表尾部
   * @param e element to be appended to this list
   * @return {@code true} (as specified by {@link Collection#add})
   */
  public boolean add(E e) {
      //在尾部插入元素
      linkLast(e);
      return true;
  }
  /**
   * 将待插入元素插入线性表尾部
   */
  void linkLast(E e) {
      final Node<E> l = last;
      //以指定元素构造节点对象
      final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
      //将新节点作尾节点
      last = newNode;
      if (l == null)
          first = newNode;//头结点
      else
          l.next = newNode;//连接到尾部结点
      size++;
      modCount++;
  }
  

  小结：链表实现的线性表的插入只需要对前后节点进行操作即可，不需要移动元素，故效率相比数组实现的线性表要高
  • 删除元素

   /**
   * 删除链表中第一个出现的与待删除元素相同的元素（如果存在的话）
   * 同样需要对待删除元素是否为null进行分情况处理
   * @param o 待删除元素
   * @return {@code true} 如果包含待删除元素则返回true
   */
  public boolean remove(Object o) {
      //待删除元素为null
      if (o == null) {
          for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
              if (x.item == null) {
                  //实际的删除方法
                  unlink(x);
                  return true;
              }
          }
      } else {
          //待删除元素不为null
          for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
              if (o.equals(x.item)) {
                  //实际的删除方法
                  unlink(x);
                  return true;
              }
          }
      }
      return false;
  }
  /**
   * 删除指定元素所在的节点
   */
  E unlink(Node<E> x) {
      //先保存前后向指针以及节点中的元素
      final E element = x.item;
      final Node<E> next = x.next;
      final Node<E> prev = x.prev;
      //处理前驱指针
      if (prev == null) {
          first = next;
      } else {
          prev.next = next;
          x.prev = null;
      }
      //处理后继指针
      if (next == null) {
          last = prev;
      } else {
          next.prev = prev;
          x.next = null;
      }
      //释放元素的引用，帮助GC
      x.item = null;
      size--;
      modCount++;
      return element;
  }
  

  小结：双向链表中元素的删除，需要先遍历链表找到待删除的节点，接着需要先处理前向指针，再处理后继指针；查找节点的过程是与数组链表相同的，但是删除操作却是更简单、高效的，因为不需要移动元素！
  • 查找元素
    查找元素则相对简单，只需要遍历链表，比较元素是否相等即可，但是，在遍历之前，需要对索引位置的合法性进行判断！
    注意：
    JDK对基于链表实现的List的查找进行了优化，利用待查找元素的位置与元素的个数进行比较，并且结合双向链表的双向遍历，缩小查找的范围，位于左边则从左向右遍历，反之类似；
  • 遍历元素
    遍历过程与基于数组实现的List相似，但是双向链表允许从两个方向进行遍历
    注意：
    LinkedList的遍历也是支持快速失败的，即在遍历的过程中，如果发生添加或删除，都会抛出并发修改的异常！

小结：

LinkedList是基于链表实现的，插入元素时，需要先将元素包装成一个节点对象，LinkedList是非线性安全的！

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Vector

 Vector与ArrayList类似，都是基于数组实现的，也是支持扩容的；下面给出两者之间不同的地方：

扩容机制：

两者的初始容量都是10，但是Vector引进变量capacityIncrement，对扩容的方式进行控制；当capacityIncrement > 0时，扩容后的数组大小为原数组的大小加上capacityIncrement；当capacityIncrement <= 0时，扩容后的数组大小为原数组大小的两倍；可见，相比ArrayList，Vector的扩容机制更为可控！

线程安全性：

Vector是线程安全（采用synchronized进行同步）的，ArrayList是非线程安全的

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Stack

Stack是继承Vector类的，在Vector的基础上实现了Stack所要求的后进先出的操作，提供了push、pop以及peek等方法
注意：
Stack是基于Vector实现的，支持先进后出特性！

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总结：

篇幅所限，本文先给出了集合包的整体框架，之后，又对其中的List家族进行了源码分析；在后续的文章中，将会对Set家族成员以及Map家族成员进行分析，如有描述不合适的地方还请指出，相互交流，共同成长！