java集合源码解析:collection

JAVA集合的框架图:

从图中可以看出集合分为collection 和 map 两大类, 其中collection内部主要以数组或者链表的形式存放一系列集合对象,map则是以系列键值对的集合

collection主要包含list 和 set 两个部分,是list和set 高度抽象出来的接口,主要包含add() remove() contains()等集合基本方法,还包含一个iterator() 方法,

依赖iterator接口,可以用来对集合进行遍历

AbstractCollection是一个抽象类, 实现了collection中的部分方法,比如:

    public boolean isEmpty() {
	return size() == 0;
    }
    public boolean contains(Object o) {
	Iterator e = iterator();
	if (o==null) {
	    while (e.hasNext())
		if (e.next()==null)
		    return true;
	} else {
	    while (e.hasNext())
		if (o.equals(e.next()))
		    return true;
	}
	return false;
    }

其中用到的siez()方法,以及iterator()等方法,则由具体的子类实现,比如list或者set

AbstractList 和 AbstractSet 则分别实现了List 和 Set接口,并都继承自AbstractCollection

List中我们用的最多的是ArrayList和LinkedList , ArrayList内部使用数组实现,而LinkedList则使用链表的方式实现, 

先看看ArrayList的部分源码:

private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
transient Object[] elementData;
private int size;

    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);
        }
    }

如果初始化时不指定大小,则默认初始化一个无内容的数组,指定了大小,则根据指定大小进行初始化, 其中size用来表示数组实际长度

我们先看看add方法

    public boolean add(E e) {
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

    public void add(int index, E element) {
        rangeCheckForAdd(index);

        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                         size - index);
        elementData[index] = element;
        size++;
    }

 第一个是直接加在数组后面,第二个是加在指定下标的位置,arraylist可以根据下标直接定位,所以查询效率很高,但是在新增和删除的时候,效率非常低

原因是因为新增和删除的时候,如果不是从最后一个下标开始操作,那么需要将指定下标后面所有的元素都进行移动

		List list = new ArrayList(100000);
		//List list = new LinkedList();
		long s1 = System.currentTimeMillis();
		for(int i=0; i<100000; i++) {
			list.add(0,i);
		}
		long s2 = System.currentTimeMillis();
		System.out.println(s2 - s1);

我用这段代码进行测试,时间是1123多毫秒,但是我如果把list.add(0,i) 这段代码直接改成list.add(i),那么直需要5毫秒左右

并且随着数组容量增加,所需数量会呈指数级增长,所以我们如果需要对list从中间进行新增,删除操作,那么尽量使用linkedlist

上面这段代码如果把new Arraylist() 直接用new LinkedList()来代替, 两种add方法需要的时间都在几毫秒左右

list每次在新增时,必须先对其容量进行计算, ensureCapacityInternal(size + 1) ,如果超出容量,则需进行扩容

    private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);//默认初始容量为10,取所需容量和初始容量的最大值
        }

        ensureExplicitCapacity(minCapacity);
    }
    private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        modCount++;

        // 当所需容量大于数组初始的长度时,需要进行扩容操作
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }
    private void grow(int minCapacity) {
        // 扩容一般为原来的1.5倍,如果还不够,那么直接取所需容量进行操作,进行扩容操作需要对整个数组进行移动,性能较差,所以尽可能确定初始容量
        int oldCapacity = elementData.length;
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
        // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }

arraylist的get可以直接定位下标,从数组中取值,所以效率很高:public E get(int index) {rangeCheck(index);return elementData(index);}

再看看linkedlist的源码:

//首先定义了头尾2个节点,这里源码来自jdk1.8,1.6的源码里面是直接定义了一个head节点并且 头尾都指向自己,作为一个双向链表
transient Node first;
transient Node last;

//node节点的定义,其实就是一个指定的对象,再加上前后指针
    private static class Node {
        E item;
        Node next;
        Node prev;

        Node(Node prev, E element, Node next) {
            this.item = element;
            this.next = next;
            this.prev = prev;
        }
    }

linkedlist的add比较简单,先判断 头节点是否为空,如果头节点为空,那么直接将新增的节点作为头节点,如果不为空,则将头节点的next指向这个节点,这个节点的next指向原来 头结点的next,prev也按类似的逻辑进行操作.

linkedlist由于是基于链表的,没有arraylist里面的扩容操作,新增和删除都只需要修改几个指针的指向就行,所以新增和删除效率高

但是查询的时候,由于没有下标,那么只能通过遍历来进行比较,所以效率非常低

list中的另一个实现:vector,其基本实现原理和arraylist差不多,但是他在很多方法中加入了synchronized来保证线程安全,所以效率低

而且很多情况,这个synchronized其实没法真正保证线程安全(比如size()方法和add(E e)都单独加了同步,但是我们如果需要先判断size()然后再add,那么在多线程的情况下,这2个方法执行的间隙,就有可能被其他线程修改了数据), 所以vector现在基本被弃用了, 如果需要使用线程安全的集合,应该首选java.util.Concurrent下面的相关集合