Java集合类及内部部分实现浅析

Java集合类的简单结构图：



事实上Collection的父接口为 Iterable

目的：简单的了解一下Java常用集合的特性以及内部实现。
参考博客： http://blog.sina.com.cn/s/blog_3fba24680100y2yr.html
常用List集合：
特性：
    有顺序的，元素可以重复；
    遍历：for，迭代；
    排序：Comparable Comparator Collections.sort()
ArrayList：
    用数组实现的List；
    特点：查询效率高，增删效率低 轻量级 线程不安全；
    部分源码分析：
    构造：
   

    private transient Object[] elementData;
    
    public ArrayList(int initialCapacity) {
        super();
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                               initialCapacity);
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
    }

    public ArrayList() {
        this(10);
    }
    

    这段源代码表示的是一个ArrayList的内部实现为一个Object数组，重载的两个构造方法，默认长度为10。
    增加元素：
   

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

    public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
        Object[] a = c.toArray();
        int numNew = a.length;
        ensureCapacityInternal(size + numNew);  // Increments modCount
        System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
        size += numNew;
        return numNew != 0;
    }
    

    添加对象的代码块，size表示数组长度。后一个为添加集合对象的代码块。

    删除元素：
   

     public E remove(int index) {
        rangeCheck(index);

        modCount++;
        E oldValue = elementData(index);

        int numMoved = size - index - 1;
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);
        elementData[--size] = null; // Let gc do its work

        return oldValue;
    }
    

    首先检查下标是否越界，List删除后会自懂向前移动下标向前移动一位又是通过 System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,numMoved);来实现。

    那么ArrayList是怎么实现容量自增的呢？
    ensureCapacityInternal(size+numNew)表示数组容量的自增函数，调用下面的函数：
   

     private void grow(int minCapacity) {
        // overflow-conscious code
        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);
    }
    

LinkedList：
    底层用双向循环链表实现的List；
    特点：查询效率低，增删效率高；
    构造：
   

    transient Node<E> first;
    transient Node<E> last;
    public LinkedList() {
    }
    public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
        this();
        addAll(c);
    }
    

    对于定义来说没有数组，却有个Node对象来看看静态内部类Node的结构：
   

    private static class Node<E> {
        E item;
        Node<E> next;
        Node<E> prev;

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

    双向链表结构更像是一群牵着手的孩子只知道前后是谁。

    添加元素：
   

    void linkLast(E e) {
        final Node<E> l = last;
        final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
        last = newNode;
        if (l == null)
            first = newNode;
        else
            l.next = newNode;
        size++;
        modCount++;
    }
    

    就是一个Node持有另个一Node的引用，形成以个链条。
    删除元素：
   

     E unlink(Node<E> x) {
        // assert x != null;
        final E element = x.item;
        final Node<E> next = x.next;
        final Node<E> prev = x.prev;

        if (prev == null) {
            first = next;
        } else {
            prev.next = next;
            x.prev = null;
        }

        if (next == null) {
            last = prev;
        } else {
            next.prev = prev;
            x.next = null;
        }

        x.item = null;
        size--;
        modCount++;
        return element;
    }
    

    先找到元素再赋值为null，并接上前面的。
Vector:
    底层用数组实现List接口的另一个类；
    特点：重量级，占据更多的系统开销，线程安全；
    Vector与ArrayList基本上一致，最大的差别于在一些方法上使用了synchronized关键字，使其变成线程安全。

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Set：
    无顺序的，元素不可重复（值不相同）；
    遍历：迭代；
    排序：SortedSet
HashSet：
    采用哈希算法来实现Set接口；
    唯一性保证：重复对象equals方法返回为true；
    重复对象hashCode方法返回相同的整数，不同对象hashCode尽量保证不同（提高效率）；
    构造：
   

    private transient HashMap<E,Object> map;
    private static final Object PRESENT = new Object();
     public HashSet() {
        map = new HashMap<>();
    }
    

    实际上的HashSet内部的实现为一个HashMap(下面看看HashMap的组成)。
    添加元素：
   

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

    由源代码块可以看出HashSet添加一个元素时，添加的值为HashMap的Key值，而一个Object对象却为一个Value值。

    删除元素：
   

    public boolean remove(Object o) {
        return map.remove(o)==PRESENT;
    }
    

    那么HashSet无序不重复的属性则来自于HashMap。
TreeSet：
    在元素添加的同时，进行排序。也要给出排序规则；
    唯一性保证：根据排序规则，compareTo方法返回为0，就可以认定两个对象中有一个是重复对象。
    结构：
   

    private transient NavigableMap<E,Object> m;
    private static final Object PRESENT = new Object();
    

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Map：
    元素是键值对：key唯一不可重复，value可重复；
    遍历：先迭代遍历key的集合，再根据key得到value；
SortedMap：元素自动对key排序
HashMap:
    轻量级，线程不安全，允许key或者value是null；
    构造：
   

    transient Entry[] table;
       public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
                                               initialCapacity);
        if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
            initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
        if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
            throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
                                               loadFactor);

        // Find a power of 2 >= initialCapacity
        int capacity = 1;
        while (capacity < initialCapacity)
            capacity <<= 1;

        this.loadFactor = loadFactor;
        threshold = (int)(capacity * loadFactor);
        [color=red]table = new Entry[capacity];[/color]
        init();
    }
    

    从构造方法分可以看出其为一个Entry数组
    Entry主要属性：
   

     final K key;
        V value;
        Entry<K,V> next;
    

    该源码片段可以看出Entry以及key值一旦赋值就无法更改。
    添加元素：
   

      public V put(K key, V value) {
        if (key == null)
            return putForNullKey(value);
        int hash = hash(key.hashCode());
        int i = indexFor(hash, table.length);
        for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
            Object k;
            if ([color=red]e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)[/color])) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;
            }
        }

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

    红色部分对于重复对象的比较，使用了key的hashcode，key指向的地址，以及其值是否相等。
   容量自增：
  

   void resize(int newCapacity) {
        Entry[] oldTable = table;
        int oldCapacity = oldTable.length;
        if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return;
        }

        Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
        transfer(newTable);
        table = newTable;
        threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
    }
   

Hashtable：
    重量级，线程安全，不允许key或者value是null；
    从源码可以看出与HashMap很相识，这是Hashmap为其轻量级的实现。
    大量带有实际操作性的方法都为synchronized修饰。
Properties：Hashtable的子类，key和value都是String，同样为线程安全。
  

   public synchronized Object setProperty(String key, String value) {
        return put(key, value);
    } 
   

TreeMap：
    集合是指一个对象可以容纳了多个对象（不是引用），这个集合对象主要用来管理维护一系列相似的对象。