JDK 高效能程式設計之容器

高效能程式設計在對不同場景下對於容器的選擇有著非常苛刻的條件，這裡記錄下前人總結的經驗，並對原始碼進行除錯

JDK高效能程式設計之容器

讀書筆記內容部分來源書籍深入理解JVM、網際網路等

先放一個類圖util，點選開啟看明細

j360-jdk除錯功能

https://github.com/xuminwlt/j360-jdk

內容

容器

-Collection
List
 ArrayList
 LinkedList
 Vector
  Stack
Set
 HashSet
Queue

-Map
 HashMap
 HashTable
 WeahHashMap

Collection是最基本的集合介面，一個Collection代表一組Object，即Collection的元素（Elements）。一些 Collection允許相同的元素而另一些不行。一些能排序而另一些不行。Java SDK不提供直接繼承自Collection的類，Java SDK提供的類都是繼承自Collection的“子介面”如List和Set。

所有實現Collection介面的類都必須提供兩個標準的建構函式：無引數的建構函式用於建立一個空的Collection，有一個 Collection引數的建構函式用於建立一個新的Collection，這個新的Collection與傳入的Collection有相同的元素。後 一個建構函式允許使用者複製一個Collection

Collection

* @param <E> the type of elements in this collection
* @see     Set
* @see     List
* @see     Map
* @see     SortedSet
* @see     SortedMap
* @see     HashSet
* @see     TreeSet
* @see     ArrayList
* @see     LinkedList
* @see     Vector
* @see     Collections
* @see     Arrays
* @see     AbstractCollection
* @since 1.2

public interface Collection<E> extends Iterable<E>

ArrayList

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable

Iterator和ListIterator迭代器

Iterator迭代器包含的方法有：

hasNext()：如果迭代器指向位置後面還有元素，則返回 true，否則返回false

next()：返回集合中Iterator指向位置後面的元素

remove()：刪除集合中Iterator指向位置後面的元素

ListIterator迭代器包含的方法有：

add(E e): 將指定的元素插入列表，插入位置為迭代器當前位置之前

hasNext()：以正向遍歷列表時，如果列表迭代器後面還有元素，則返回 true，否則返回false

hasPrevious():如果以逆向遍歷列表，列表迭代器前面還有元素，則返回 true，否則返回false

next()：返回列表中ListIterator指向位置後面的元素

nextIndex():返回列表中ListIterator所需位置後面元素的索引

previous():返回列表中ListIterator指向位置前面的元素

previousIndex()：返回列表中ListIterator所需位置前面元素的索引

remove():從列表中刪除next()或previous()返回的最後一個元素（有點拗口，意思就是對迭代器使用hasNext()方法時，刪除ListIterator指向位置後面的元素；當對迭代器使用hasPrevious()方法時，刪除ListIterator指向位置前面的元素）

set(E e)：從列表中將next()或previous()返回的最後一個元素返回的最後一個元素更改為指定元素e

一．相同點

都是迭代器，當需要對集合中元素進行遍歷不需要干涉其遍歷過程時，這兩種迭代器都可以使用。

二．不同點

1.使用範圍不同，Iterator可以應用於所有的集合，Set、List和Map和這些集合的子型別。而ListIterator只能用於List及其子型別。

2.ListIterator有add方法，可以向List中新增物件，而Iterator不能。

3.ListIterator和Iterator都有hasNext()和next()方法，可以實現順序向後遍歷，但是ListIterator有hasPrevious()和previous()方法，可以實現逆向（順序向前）遍歷。Iterator不可以。

4.ListIterator可以定位當前索引的位置，nextIndex()和previousIndex()可以實現。Iterator沒有此功能。

5.都可實現刪除操作，但是ListIterator可以實現物件的修改，set()方法可以實現。Iterator僅能遍歷，不能修改。

List介面

List是有序的Collection，使用此介面能夠精確的控制每個元素插入的位置。使用者能夠使用索引（元素在List中的位置，類似於陣列下標）來訪問List中的元素，這類似於Java的陣列。

和下面要提到的Set不同，List允許有相同的元素。

除了具有Collection介面必備的iterator()方法外，List還提供一個listIterator()方法，返回一個 ListIterator介面，和標準的Iterator介面相比，ListIterator多了一些add()之類的方法，允許新增，刪除，設定元素， 還能向前或向後遍歷。

實現List介面的常用類有LinkedList，ArrayList，Vector和Stack。

LinkedList類

LinkedList實現了List介面，允許null元素。此外LinkedList提供額外的get，remove，insert方法在 LinkedList的首部或尾部。這些操作使LinkedList可被用作堆疊（stack），佇列（queue）或雙向佇列（deque）。

注意LinkedList沒有同步方法。如果多個執行緒同時訪問一個List，則必須自己實現訪問同步。一種解決方法是在建立List時構造一個同步的List：

List list = Collections.synchronizedList(new LinkedList(…));

ArrayList類

ArrayList實現了可變大小的陣列。它允許所有元素，包括null。ArrayList沒有同步。

size，isEmpty，get，set方法執行時間為常數。但是add方法開銷為分攤的常數，新增n個元素需要O(n)的時間。其他的方法執行時間為線性。

每個ArrayList例項都有一個容量（Capacity），即用於儲存元素的陣列的大小。這個容量可隨著不斷新增新元素而自動增加，但是增長演算法 並沒有定義。當需要插入大量元素時，在插入前可以呼叫ensureCapacity方法來增加ArrayList的容量以提高插入效率。

和LinkedList一樣，ArrayList也是非同步的（unsynchronized）。

Vector類

Vector非常類似ArrayList，但是Vector是同步的。由Vector建立的Iterator，雖然和 ArrayList建立的Iterator是同一介面，但是，因為Vector是同步的，當一個Iterator被建立而且正在被使用，另一個執行緒改變了 Vector的狀態（例如，新增或刪除了一些元素），這時呼叫Iterator的方法時將丟擲 ConcurrentModificationException，因此必須捕獲該異常。

Stack 類

Stack繼承自Vector，實現一個後進先出的堆疊。Stack提供5個額外的方法使得Vector得以被當作堆疊使用。基本的push和pop 方法，還有peek方法得到棧頂的元素，empty方法測試堆疊是否為空，search方法檢測一個元素在堆疊中的位置。Stack剛建立後是空棧。

Set介面

Set是一種不包含重複的元素的Collection，即任意的兩個元素e1和e2都有e1.equals(e2)=false，Set最多有一個null元素。

很明顯，Set的建構函式有一個約束條件，傳入的Collection引數不能包含重複的元素。

請注意：必須小心操作可變物件（Mutable Object）。如果一個Set中的可變元素改變了自身狀態導致Object.equals(Object)=true將導致一些問題。

總結

如果涉及到堆疊，佇列等操作，應該考慮用List，對於需要快速插入，刪除元素，應該使用LinkedList，如果需要快速隨機訪問元素，應該使用ArrayList。

如果程式在單執行緒環境中，或者訪問僅僅在一個執行緒中進行，考慮非同步的類，其效率較高，如果多個執行緒可能同時操作一個類，應該使用同步的類。

要特別注意對雜湊表的操作，作為key的物件要正確複寫equals和hashCode方法。

儘量返回介面而非實際的型別，如返回List而非ArrayList，這樣如果以後需要將ArrayList換成LinkedList時，客戶端程式碼不用改變。這就是針對抽象程式設計。

Java的容器分為兩類，一類是Collection，一類是Map。collection中包含三種集合型別：Set，List，Queue。

如果想要set中的資料有序，請使用TreeSet。

HashTable和Vector是執行緒安全的，但是不建議使用，請使用java.util.concurrent包下的容器。(見多執行緒讀書筆記)

同步性

Vector是同步的。這個類中的一些方法保證了Vector中的物件是執行緒安全的。而ArrayList則是非同步的，因此ArrayList中的物件並 不是執行緒安全的。因為同步的要求會影響執行的效率，所以如果你不需要執行緒安全的集合那麼使用ArrayList是一個很好的選擇，這樣可以避免由於同步帶 來的不必要的效能開銷。

資料增長

從內部實現機制來講ArrayList和Vector都是使用陣列(Array)來控制集合中的物件。當你向這兩種型別中增加元素的時候，如果元素的數目 超出了內部陣列目前的長度它們都需要擴充套件內部陣列的長度，Vector預設情況下自動增長原來一倍的陣列長度，ArrayList是原來的50%,所以最 後你獲得的這個集合所佔的空間總是比你實際需要的要大。所以如果你要在集合中儲存大量的資料那麼使用Vector有一些優勢，因為你可以通過設定集合的初 始化大小來避免不必要的資源開銷。

使用模式

在ArrayList和Vector中，從一個指定的位置（通過索引）查詢資料或是在集合的末尾增加、移除一個元素所花費的時間是一樣的，這個時間我們用 O(1)表示。但是，如果在集合的其他位置增加或移除元素那麼花費的時間會呈線形增長：O(n-i)，其中n代表集合中元素的個數，i代表元素增加或移除 元素的索引位置。為什麼會這樣呢？以為在進行上述操作的時候集合中第i和第i個元素之後的所有元素都要執行位移的操作。這一切意味著什麼呢？

這意味著，你只是查詢特定位置的元素或只在集合的末端增加、移除元素，那麼使用Vector或ArrayList都可以。如果是其他操作，你最好選擇其他 的集合操作類。比如，LinkList集合類在增加或移除集合中任何位置的元素所花費的時間都是一樣的?O(1)，但它在索引一個元素的使用缺比較慢 －O(i),其中i是索引的位置.使用ArrayList也很容易，因為你可以簡單的使用索引來代替建立iterator物件的操作。LinkList也 會為每個插入的元素建立物件，所有你要明白它也會帶來額外的開銷。

最後，在《Practical Java》一書中Peter Haggar建議使用一個簡單的陣列（Array）來代替Vector或ArrayList。尤其是對於執行效率要求高的程式更應如此。因為使用陣列 (Array)避免了同步、額外的方法呼叫和不必要的重新分配空間的操作。

相互區別

Vector和ArrayList

1，vector是執行緒同步的，所以它也是執行緒安全的，而arraylist是執行緒非同步的，是不安全的。如果不考慮到執行緒的安全因素，一般用

arraylist效率比較高。

2，如果集合中的元素的數目大於目前集合陣列的長度時，vector增長率為目前陣列長度的100%,而arraylist增長率為目前陣列長度

的50%.如過在集合中使用資料量比較大的資料，用vector有一定的優勢。

3，如果查詢一個指定位置的資料，vector和arraylist使用的時間是相同的，都是0(1),這個時候使用vector和arraylist都可以。而

如果移動一個指定位置的資料花費的時間為0(n-i)n為總長度，這個時候就應該考慮到使用linklist,因為它移動一個指定位置的資料

所花費的時間為0(1),而查詢一個指定位置的資料時花費的時間為0(i)。

ArrayList 和Vector是採用陣列方式儲存資料，此陣列元素數大於實際儲存的資料以便增加和插入元素，都允許直接序號索引元素，但是插入資料要設計到陣列元素移動 等記憶體操作，所以索引資料快插入資料慢，Vector由於使用了synchronized方法（執行緒安全）所以效能上比ArrayList要 差，LinkedList使用雙向連結串列實現儲存，按序號索引資料需要進行向前或向後遍歷，但是插入資料時只需要記錄本項的前後項即可，所以插入數度較快！

arraylist和linkedlist

1.ArrayList是實現了基於動態陣列的資料結構，LinkedList基於連結串列的資料結構。

2.對於隨機訪問get和set，ArrayList覺得優於LinkedList，因為LinkedList要移動指標。

3.對於新增和刪除操作add和remove，LinedList比較佔優勢，因為ArrayList要移動資料。

這一點要看實際情況的。若只對單條資料插入或刪除，ArrayList的速度反而優於LinkedList。但若是批量隨機的插入刪除數 據，LinkedList的速度大大優於ArrayList. 因為ArrayList每插入一條資料，要移動插入點及之後的所有資料。

HashSet和TreeSet

public class TreeSet<E> extends AbstractSet<E>
    implements NavigableSet<E>, Cloneable, java.io.Serializable

public interface NavigableSet<E> extends SortedSet<E> 
public interface SortedSet<E> extends Set<E>

TreeSet型別是J2SE中唯一可實現自動排序的型別

HashSet與TreeSet都是基於Set介面的實現類。其中TreeSet是Set的子介面SortedSet的實現類。Set介面及其子介面、實現類的結構如下所示：

|——SortedSet介面——TreeSet實現類
Set介面——|——HashSet實現類
|——LinkedHashSet實現類

HashSet實現Set 介面，由雜湊表（實際上是一個 HashMap 例項）支援。它不保證集合的迭代順序；特別是它不保證該順序恆久不變。此類允許使用 null 元素。HashSet為基本操作提供了穩定效能，這些基本操作包括 add、remove、contains 和 size，假定雜湊函式將這些元素正確地分佈在桶中。對此集合進行迭代所需的時間與 HashSet 例項的大小（元素的數量）和底層 HashMap 例項（桶的數量）的“容量”的和成比例。因此，如果迭代效能很重要，則不要將初始容量設定得太高（或將載入因子設定得太低）。HashSet的實現是不同步的。如果多個執行緒同時訪問一個集合，而其中至少一個執行緒修改了該集合，那麼它必須 保持外部同步。

LinkedHashSet

public class LinkedHashSet<E>
    extends HashSet<E>
    implements Set<E>, Cloneable, java.io.Serializable

構造方法

public LinkedHashSet() {
    super(16, .75f, true);
}
/**
 * Constructs a new, empty linked hash set.  (This package private
 * constructor is only used by LinkedHashSet.) The backing
 * HashMap instance is a LinkedHashMap with the specified initial
 * capacity and the specified load factor.
 *
 * @param      initialCapacity   the initial capacity of the hash map
 * @param      loadFactor        the load factor of the hash map
 * @param      dummy             ignored (distinguishes this
 *             constructor from other int, float constructor.)
 * @throws     IllegalArgumentException if the initial capacity is less
 *             than zero, or if the load factor is nonpositive
 */
HashSet(int initialCapacity, float loadFactor, boolean dummy) {
    map = new LinkedHashMap<>(initialCapacity, loadFactor);
}

Map

Map介面

請注意，Map沒有繼承Collection介面，Map提供key到value的對映。一個Map中不能包含相同的key，每個key只能對映一個 value。Map介面提供3種集合的檢視，Map的內容可以被當作一組key集合，一組value集合，或者一組key-value對映。

Hashtable類

Hashtable繼承Map介面，實現一個key-value對映的雜湊表。任何非空（non-null）的物件都可作為key或者value。

新增資料使用put(key, value)，取出資料使用get(key)，這兩個基本操作的時間開銷為常數。

Hashtable通過initial capacity和load factor兩個引數調整效能。通常預設的load factor 0.75較好地實現了時間和空間的均衡。增大load factor可以節省空間但相應的查詢時間將增大，這會影響像get和put這樣的操作。

使用Hashtable的簡單示例如下，將1，2，3放到Hashtable中，他們的key分別是”one”，”two”，”three”：

Hashtable numbers = new Hashtable();

numbers.put(“one”, new Integer(1));

numbers.put(“two”, new Integer(2));

numbers.put(“three”, new Integer(3));

要取出一個數，比如2，用相應的key：

Integer n = (Integer)numbers.get(“two”);

System.out.println(“two = ” + n);

由於作為key的物件將通過計算其雜湊函式來確定與之對應的value的位置，因此任何作為key的物件都必須實現hashCode和equals方 法。hashCode和equals方法繼承自根類Object，如果你用自定義的類當作key的話，要相當小心，按照雜湊函式的定義，如果兩個物件相 同，即obj1.equals(obj2)=true，則它們的hashCode必須相同，但如果兩個物件不同，則它們的hashCode不一定不同，如 果兩個不同物件的hashCode相同，這種現象稱為衝突，衝突會導致操作雜湊表的時間開銷增大，所以儘量定義好的hashCode()方法，能加快雜湊 表的操作。

如果相同的物件有不同的hashCode，對雜湊表的操作會出現意想不到的結果（期待的get方法返回null），要避免這種問題，只需要牢記一條：要同時複寫equals方法和hashCode方法，而不要只寫其中一個。

Hashtable是同步的。

HashMap類

HashMap和Hashtable類似，不同之處在於HashMap是非同步的，並且允許null，即null value和null key。，但是將HashMap視為Collection時（values()方法可返回Collection），其迭代子操作時間開銷和HashMap 的容量成比例。因此，如果迭代操作的效能相當重要的話，不要將HashMap的初始化容量設得過高，或者load factor過低。

WeakHashMap類

WeakHashMap是一種改進的HashMap，它對key實行“弱引用”，如果一個key不再被外部所引用，那麼該key可以被GC回收。

HashMap與TreeMap

1、HashMap通過hashcode對其內容進行快速查詢，而TreeMap中所有的元素都保持著某種固定的順序，如果你需要得到一個有序的結果你就應該使用TreeMap（HashMap中元素的排列順序是不固定的）。

HashMap中元素的排列順序是不固定的）。

2、  HashMap通過hashcode對其內容進行快速查詢，而TreeMap中所有的元素都保持著某種固定的順序，如果你需要得到一個有序的結果你就應該 使用TreeMap（HashMap中元素的排列順序是不固定的）。集合框架”提供兩種常規的Map實現：HashMap和TreeMap (TreeMap實現SortedMap介面)。

3、在Map 中插入、刪除和定位元素，HashMap 是最好的選擇。但如果您要按自然順序或自定義順序遍歷鍵，那麼TreeMap會更好。使用HashMap要求新增的鍵類明確定義了hashCode()和 equals()的實現。        這個TreeMap沒有調優選項，因為該樹總處於平衡狀態。

結過研究，在原作者的基礎上我還發現了一點，二樹map一樣，但順序不一樣，導致hashCode()不一樣。

同樣做測試：

在hashMap中，同樣的值的map,順序不同，equals時，false;

而在treeMap中，同樣的值的map,順序不同,equals時，true，說明，treeMap在equals()時是整理了順序了的。

hashtable與hashmap

一.歷史原因:Hashtable是基於陳舊的Dictionary類的，HashMap是Java 1.2引進的Map介面的一個實現

二.同步性:Hashtable是執行緒安全的，也就是說是同步的，而HashMap是執行緒序不安全的，不是同步的

三.值：只有HashMap可以讓你將空值作為一個表的條目的key或value