Java 容器相關知識全面總結

Java實用類庫提供了一套相當完整的容器來幫助我們解決很多具體問題。因為我本身是一名Android開發者，包括我在內很多安卓開發，最拿手的就是ListView(RecycleView)+BaseAdapter+ArrayList三劍客, 平時接觸使用的容器也只有ArrayList和HashMap。導致對於整個Java容器體系的掌握和使用還停留在很淺的層面。省不足而思改進，那麼跟著我來總結一下Java容器的相關知識吧。

結構

• java容器類的繼承結構
• 具體介紹
  • 迭代器
  • Collection
    • List
    • Set
    • Queue
  • Map
• 一些建議
• 進階·併發容器
  • CopyOnWriteArrayList與Copy-On-Write策略
  • ConcurrentLinkedQueue
  • ConcurrentHashMap與鎖分段技術
  • 阻塞佇列

java容器類的繼承結構

Java容器類庫定義了兩個不同概念的容器，Collection和Map

• Collection 一個獨立元素的序列，這些元素都服從一條或多條規則。List必須按照插入的順序儲存元素。Set不能有重複元素。Queue按照排隊規則來確定物件產生的順序。

(文中Jdk原始碼版本無特殊說明均為jdk1.8.0_101)

    public interface Collection<E> extends Iterable<E> {
        int size();

        boolean isEmpty();

        boolean contains(Object o);

        Iterator<E> iterator();

        Object[] toArray();

        <T> T[] toArray(T[] a);

        boolean add(E e);

        boolean remove(Object o);

        boolean containsAll(java.util.Collection<?> c);

        boolean addAll(java.util.Collection<? extends E> c);

        boolean removeAll(java.util.Collection<?> c);

        ... //省略了其他方法
    }

可以看到，java定義了Collection介面和內部集合的基本操作方法，Collection預設可以進行對集合末端新增元素，刪除指定元素等操作。List、Set、Queue介面都繼承自Collection並定義了各自不同的方法。

• Map 一組成對的”鍵值對”物件，允許我們使用鍵來查詢值。

    public interface Map<K,V> {
        int size();

        boolean containsKey(Object key);

        boolean containsValue(Object value);

        V get(Object key);

        V put(K key, V value);

        V remove(Object key);

        void putAll(java.util.Map<? extends K, ? extends V> m);

        void clear();

        Set<K> keySet();

        Collection<V> values();

        Set<java.util.Map.Entry<K, V>> entrySet();

        interface Entry<K,V> {
            K getKey();

            V getValue();

            V setValue(V value);

            boolean equals(Object o);

            int hashCode();

            ...
        }

        boolean equals(Object o);

        int hashCode();

    }

Map內部介面Entry<K,V>對應著Map的鍵值對。

具體介紹

迭代器

先介紹一下迭代器。迭代器本身也是一種設計模式，設計的初衷在於：容器的實現由很多種，而我們想對容器進行遍歷操作的話，首先不應該關心容器實現的細節，其次遍歷操作應該是輕量級的。迭代器統一了對容器的訪問方式，同時建立它的代價很小。值得注意的是，Iterator只能單向移動。

    public interface Iterator<E> {
        boolean hasNext();

        E next();

        default void remove() {
            throw new UnsupportedOperationException("remove");
        }

        default void forEachRemaining(Consumer<? super E> action) {
            Objects.requireNonNull(action);
            while (hasNext())
                action.accept(next());
            }
    }

通過容器的iterator()方法拿到容器的迭代器
迭代器的next()獲取下一個元素
hasNext()判斷是否還有元素
remove()刪除指定元素

ListIterator

ListIterator是Iterator的擴充套件之內，用於各種List類訪問，支援雙向移動。

Collection

List

List 承諾可以將元素維護在特定的序列中.List介面在Collection的基礎上新增了大量的方法，使得可以再List中間插入和移除元素。

    public interface List<E> extends Collection<E> {

        ...

        boolean add(E e);

        boolean remove(Object o);

        boolean containsAll(Collection<?> c);

        boolean addAll(Collection<? extends E> c);

        boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c);

        boolean removeAll(Collection<?> c);

        boolean retainAll(Collection<?> c);

        E get(int index);

        E set(int index, E element);

        void add(int index, E element);

        E remove(int index);

        int indexOf(Object o);

        int lastIndexOf(Object o);

        java.util.List<E> subList(int fromIndex, int toIndex);

        ...

    }

有兩種型別的List，ArrayList和LinkedList

List型別	優點	缺點	底層實現
ArrayList	隨機訪問元素較快	中間元素的插入和刪除較慢	陣列
LinkedList	中間元素的插入和刪除，順序訪問的優化	隨機訪問元素較慢	雙向連結串列

Set

Set不儲存重複的元素，通常用於快速查詢元素。值得一提的是，Set具有與Collection完全一樣的介面，沒有任何額外的功能。 存入的元素必須定義equals()方法

Set型別	使用場景	底層實現
HashSet	快速查詢，元素必須定義hashCode()	連結串列
TreeSet	保持次序，元素必須實現Comparable介面	紅-黑樹結構
LinkedHashSet	維護次序的HashSet, 元素必須定義hashCode()	連結串列

Queue

除了併發應用，Queue僅有的兩個實現是LinkedList和PriorityQueue, 其中LinkedList同時實現了List, Deque介面。它們的差異在於排序行為而不是效能。

    public interface Queue<E> extends Collection<E> {
        boolean add(E e);

        boolean offer(E e);

        E remove();

        E poll();

        E element();

        E peek();
    }

Map

Map型別	使用場景	底層實現
HashMap	快速查詢	雜湊表
LinkedHashMap	迭代遍歷具有順序(插入順序 or 最近最少使用)	連結串列
TreeMap	具有排序，唯一可以返回子樹的Map(subMap())	紅-黑樹結構
WeakHashMap	弱鍵對映，對映之外無引用的鍵，可以被垃圾回收	雜湊表
ConcurrentHashMap	執行緒安全的Map	連結串列
IdentityHashMap	使用==代替equals()對鍵進行排序，專位解決特殊問題	連結串列

我們可以手工調整HashMap來調整效能，涉及到如容量、初始容量、尺寸、負載因子等概念。感興趣的話可以看一些相關資料。

一些建議

• 不要使用過時的容器 如Vector Enumeration Hashtable Stack(沒錯，這就是java最初的糟糕設計，實際中使用棧的話推薦LinkedList)

進階·併發容器

這裡不會討論的太細緻的實現，僅僅簡單介紹一下基礎知識，感興趣的可以閱讀《Java 併發程式設計的藝術》這本書。

CopyOnWriteArrayList與Copy-On-Write策略

Copy-On-Write簡稱COW，是一種用於程式設計中的優化策略。其基本思路是，從一開始大家都在共享同一個內容，當某個人想要修改這個內容的時候，才會真正把內容Copy出去形成一個新的內容然後再改，這是一種延時懶惰策略。從JDK1.5開始Java併發包裡提供了兩個使用CopyOnWrite機制實現的併發容器,它們是CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet。CopyOnWrite容器非常有用，可以在非常多的併發場景中使用到。

CopyOnWrite容器即寫時複製的容器。通俗的理解是當我們往一個容器新增元素的時候，不直接往當前容器新增，而是先將當前容器進行Copy，複製出一個新的容器，然後新的容器裡新增元素，新增完元素之後，再將原容器的引用指向新的容器。這樣做的好處是我們可以對CopyOnWrite容器進行併發的讀，而不需要加鎖，因為當前容器不會新增任何元素。所以CopyOnWrite容器也是一種讀寫分離的思想，讀和寫不同的容器。

CopyOnWrite容器只能保證資料的最終一致性，不能保證資料的實時一致性。所以如果你希望寫入的的資料，馬上能讀到，請不要使用CopyOnWrite容器。

ConcurrentLinkedQueue

在併發程式設計中，有時候需要使用執行緒安全的佇列或列表。通常實現執行緒安全有兩種方式，一種是使用阻塞演算法，一種是使用非阻塞演算法。非阻塞演算法實現基礎為迴圈CAS(Compare and Swipe 比較和交換)。

ConcurrentLinkedQueue技術上的實現與CopyOnWriteArrayList與Copy類似，但是容器只有部分內容而不是整個容器可以被複制和修改。ConcurrentLinkedQueue有head節點和tail節點組成，每個節點由節點元素(item)和指向下一個結點(next)的引用組成。節點之間通過next關聯起來，形成一張連結串列結構的佇列。

ConcurrentHashMap與鎖分段技術

ConcurrentHashMap是執行緒安全且高效的HashMap。多執行緒環境下，使用非執行緒安全的HashMap會導致死迴圈，而如文章中建議的那樣，HashTable這種過時容器效率低下(使用synchronized來保證執行緒安全)。ConcurrentHashMap使用鎖分段技術，大大提高了併發使用的效率。

鎖分段技術: 假設容器有多把鎖，每一把鎖用於鎖容器其中一部分資料，當多執行緒訪問容器不同資料段資料時，執行緒間就不存在鎖競爭，從而提高併發訪問效率。

阻塞佇列

JDK7 提供了7個阻塞佇列，實現原理都是基於生產-消費模式的等待通知機制。

阻塞佇列型別	特點
ArrayBlockingQueue	由陣列結構組成的有界阻塞佇列
LinkedBlockingQueue	由連結串列結構組成的有界阻塞佇列
PriorityBlockingQueue	支援優先順序排序的無界阻塞佇列
DelayQueue	使用優先順序佇列實現的無界阻塞佇列
SynchronousQueue	不儲存元素的阻塞佇列
LinkedTransferQueue	由連結串列結構組成的無界阻塞佇列
LinkedBlockingQueue	由連結串列結構組成的雙向阻塞佇列

感謝閱讀~