【原创】java中各种集合类的实现浅析

【LinkedList】

LinkedList使用了链表来实现List功能，而且是双向循环链表，它的Entry定义如下：

private static class Entry<E> {
        //保存放入list中的对象
        E element;
        //当前节点的下一节点
        Entry<E> next;
        //当前节点的上一节点
        Entry<E> previous;

        //新构造的entry，next节点为头节点，previous为尾节点，
        //新插入的节点在尾节点之后
        Entry(E element, Entry<E> next, Entry<E> previous) {
            this.element = element;
            this.next = next;
            this.previous = previous;
        }
    }

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插入一个节点时：

     private Entry<E> addBefore(E o, Entry<E> e) {
        Entry<E> newEntry = new Entry<E>(o, e, e.previous);
        //定义节点在链表中的链接方式，插入一个新节点
        newEntry.previous.next = newEntry;
        newEntry.next.previous = newEntry;
        size++;
        modCount++;
        return newEntry;
    }

可见，只需要移动指针即可，当按照节点索引删除时，需要将节点先查询到：

 private Entry<E> entry(int index) {
        if (index < 0 || index >= size)
            throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+
                                                ", Size: "+size);
      //定位头节点
        Entry<E> e = header;
        //如果要寻找的索引小于链表长度的一半，则从头开始找，否则从尾部开始找
        if (index < (size >> 1)) {
            for (int i = 0; i <= index; i++)
                e = e.next;
        } else {
            for (int i = size; i > index; i--)
                e = e.previous;
        }
        return e;
    }

可见，此时变成了顺序查找，不过此处小小的优化了一下，如果按照对象来删除，那就成了全表扫描了，呵呵：

  public boolean remove(Object o) {
        if (o==null) {
            for (Entry<E> e = header.next; e != header; e = e.next) {
                if (e.element==null) {
                    remove(e);
                    return true;
                }
            }
        } else {
            for (Entry<E> e = header.next; e != header; e = e.next) {
                if (o.equals(e.element)) {
                    remove(e);
                    return true;
                }
            }
        }
        return false;
    }

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【ArrayList】

使用数组来实现，相对来说，通过数组下标访问效率很高，但是通过对象访问效率仍然不高，大量的使用了System.arrayCopy方法来拷贝数组。

【Vector】

和arraylis比较相似，都是使用数组来实现，不过二者空间扩展的方式不同，arraylist默认为50%+1,vector为一倍，而且操作方法都是线程安全的，不过效率要慢。

 【HashMap】

HashMap的原理比以上都要复杂，可以说HashMap是集成了链表的快速增删和数组的快速随机读取功能于一身，仔细看了下HashMap的源码，其结构如下：

其内部的Entry定义：

static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final K key;
        V value;
        final int hash;
        //定义了一个指针，指向该节点的下一个节点
        Entry<K,V> next;

        /**
         * Create new entry.
         */
        Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
            value = v;
            next = n;
            key = k;
            hash = h;
        }

        public K getKey() {
            return HashMap.<K>unmaskNull(key);
        }

        public V getValue() {
            return value;
        }
    
        public V setValue(V newValue) {
        V oldValue = value;
            value = newValue;
            return oldValue;
        }

可见，entry内部定义了一个指针（引用），该引用就是指向其他节点，这不就是一个单链表吗？下面看一下往map中增加对象时的方法：

     public V put(K key, V value) {
            if (key == null)
                return putForNullKey(value);
            //首先获取该key的hash值
                int hash = hash(key.hashCode());
                //通过该hash值结合hash表的长度，计算出该key应该落在数组的哪个位置
                int i = indexFor(hash, table.length);
                //找到数组位置后，遍历该数组的entry节点，通过头节点的指针遍历所有的entry，找到目标节点
                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))) {
                        V oldValue = e.value;
                        e.value = value;
                        e.recordAccess(this);
                        return oldValue;
                    }
                }

                modCount++;
                addEntry(hash, key, value, i);
                return null;
            }

可见，hashMap的结构有点像查字典，如果想要查一个字，首先根据字的拼音(hash值)找到字所在的大体位置（数组），找到大体位置，然后一个个的去对比找到确定的位置。如这张图，左边就是数组，数组中都存放着一个entry头节点，而每个头节点后面都串联着很多entry，当要查找时，首先计算查找对象的hash值，确定该对象在哪个数组中，找到数组位置（随机访问）后，拿到entry头节点，然后线性遍历该链表，找到对应的具体节点，可见，hashmap解决冲突的办法就是链接地址法，将所有hash值相同的对象链接起来。

【linkedHashMap】

 继承自HashMap,大部分功能都由HashMap来实现，不同的是其中的Entry，使用一个双向链表来维护节点插入的顺序，而且使用LRU算法来维护链表中节点的顺序，对于经常使用的节点，将其拿到链表的最前面。

 private static class Entry<K,V> extends HashMap.Entry<K,V> {
        // These fields comprise the doubly linked list used for iteration.
        Entry<K,V> before, after;

    Entry(int hash, K key, V value, HashMap.Entry<K,V> next) {
            super(hash, key, value, next);
        }

        /**
         * Remove this entry from the linked list.
         */
        private void remove() {
            before.after = after;
            after.before = before;
        }

LinkedHashMap.Entry继承自HashMap.Entry，可见，除了自身的before和after指针之外，还继承了一个next指针，其中，这三个指针的用处分别为：

before和after维护着节点的插入顺序，这就像一根线，将节点按照插入顺序穿起来，而存在一个header引用，表示头节点，而next指针仍然起着链接hash冲突的节点。当执行hash查找时，仍然使用先table再链表的形式，而当迭代时，会按照before和after指针串联的方式进行迭代，

其中有before和after指针，指针的连接标示着节点的插入顺序，当迭代的时候按照这个顺序来迭代。

我画了个图简单描述如下：

图中虚线部分就是before和after指针，实线部分就是next指针，而黑体箭头就是header节点，代表最先插入的节点或者最近用到的节点。

 【TreeMap】

treemap是排序的map，背后使用了平衡二叉树来实现，具体的是红黑树，看它的entry定义：

 static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    K key;
        V value;
        Entry<K,V> left = null;
        Entry<K,V> right = null;
        Entry<K,V> parent;
        boolean color = BLACK;

        /**
         * Make a new cell with given key, value, and parent, and with
         * <tt>null</tt> child links, and BLACK color.
         */
        Entry(K key, V value, Entry<K,V> parent) {
            this.key = key;
            this.value = value;
            this.parent = parent;
        }

可见，entry就是树的一个节点，其中定义了一个color属性，代表红黑。由于使用红黑树来实现，当插入新节点或者删除节点时，需要重新调整树，使其满足红黑规则：

     public V put(K key, V value) {
         //首先找到root节点
            Entry<K,V> t = root;

            //如果root为空，则新建一个节点
            if (t == null) {
                incrementSize();
                root = new Entry<K,V>(key, value, null);
                return null;
           }

            //依次根据root往下遍历
            while (true) {
                //此处相当于二分查找，将当前节点和目标节点对比，如果小就往右走，否则往左走
                int cmp = compare(key, t.key);
                if (cmp == 0) {
                    //如果想等，直接覆盖替换
                    return t.setValue(value);
                } else if (cmp < 0) {
                    //如果小则往左走
                    //如果左节点不为空，那么直接再次左移
                    if (t.left != null) {
                        t = t.left;
                    } else {
                        //否则就增加空间，然后新建节点，将该节点插入到空的节点处
                        incrementSize();
                        t.left = new Entry<K,V>(key, value, t);
                        //插入了新节点，打破了平衡，所以需要重新调整树使其满足红黑规则
                        fixAfterInsertion(t.left);
                        return null;
                    }
                } else { // cmp > 0
                    if (t.right != null) {
                        t = t.right;
                    } else {
                        incrementSize();
                        t.right = new Entry<K,V>(key, value, t);
                        fixAfterInsertion(t.right);
                        return null;
                    }
                }
            }
        }

由于使用了平衡查找树，所以查找节点时效率是很高的，就是一个二分查找树：

private Entry<K,V> getEntry(Object key) {
        Entry<K,V> p = root;
    K k = (K) key;
        while (p != null) {
            int cmp = compare(k, p.key);
            if (cmp == 0)
                return p;
            else if (cmp < 0)
                p = p.left;
            else
                p = p.right;
        }
        return null;
    }

【HashTable】 

和HashMap差不多，不过其方法是同步的，ConcurrentHashMap和它比较类似，只是后者的get方法不需要同步，所以效率想对更高效。

【HashSet】

本质上由hashMap来实现，只是对象不能重复：

public boolean add(E o) {
    return map.put(o, PRESENT)==null;
    }

【TreeSet】

本质上默认由TreeMap来实现，默认构造函数将使用TreeMap来实现。

 

public TreeSet() {
    this(new TreeMap<E,Object>());
    }

TreeSet也是排序的，可以指定排序器，如果不指定则使用默认的自然序列排序器来排序。