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Java 類庫中的集合介面和迭代器
集合介面及迭代器
- 集合類的基本介面是：Collection
public interface Collection<E>{
// 集合改變返回 true，否則返回 false
boolean add();
boolean addAll();
// 返回一個迭代器
Iterator<E> iterator();
int size();
boolean isEmpty();
// 集合中包含了和 obj 相等的物件，那麼返回 true
boolean contains(Object obj);
// 如果集合中包含 other 集合中的所有元素，那麼返回 true
boolean containsAll(Collect<?> other);
// 從這個集合中刪除等於 obj 的物件，如果有匹配的物件，返回 true
boolean remove(Object obj);
// 從這個集合中刪除 other 中存在的元素，如果這個呼叫改變了集合，那麼返回 true
boolean removeAll(Collect<?> other);
void clear();
// 從這個集合中刪除所有與 other 這個集合中的元素不同的元素，如果這個呼叫改變了集合，那麼返回 true
boolean retainAll(Collection<?> other);
Object[] toArray();
<T> T[] toArray(T[] a);
}
複製程式碼- 迭代器
public interface Iterator<E>{
// 反覆呼叫，可以逐個訪問集合中的每個元素(配合 hasNext() 這個方法)
E next();
boolean hasNext();
// 刪除上次呼叫 next() 返回的元素,沒有呼叫 next() 方法，呼叫 remove() 則會報 IllegalStateException 異常
void remove();
}
複製程式碼- 迭代器的用法
- 用法 1
Collection<String> c = ....; Iterator<String> iterator = c.iterator(); while(iterator.hasNext()){ String element = iterator.next(); iterator.remove(); // todo something } 複製程式碼- 用法 2：java SE 5.0 之後的寫法，for each 迴圈操作
Collection<String> c = ....; for(String element : c){ // todo something } 複製程式碼“for each” 迴圈可以與任何實現了 Iterable 介面的物件一起工作
集合概覽圖
具體的集合實現
ArrayList
簡介
- 繼承於 AbstractList，實現了 List，是一個陣列佇列，提供新增、刪除、修改、遍歷的功能
- 實現了 RandomAccess 介面，提供隨機訪問的功能
- 實現了 Cloneable 介面，提供了克隆功能
- 實現了 java.io.Serializable 介面，提供序列化功能
定義
java.lang.Object
↳ java.util.AbstractCollection<E>
↳ java.util.AbstractList<E>
↳ java.util.ArrayList<E>
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {}
複製程式碼特性
- 關於 ArrayList 是執行緒不安全的，那麼 ArrayList 只能在單執行緒中使用，如果需要多執行緒使用的話，那麼可以使用 Vector。或者是以下方式
// 將其包裝成執行緒安全
List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList());
複製程式碼- ArrayList 是一個動態陣列佇列，它能高效的隨機訪問元素和順序遍歷，但對於插入和刪除效率會比較低，因為需要涉及到陣列的移動。
擴容
- ArrayList 是一個動態的陣列，那麼一開始陣列的大小是固定的（預設的話為 10），當向 ArrayList 中插入某個陣列時，size 的值剛好為容量的大小，那麼就會觸發擴容的操作。擴容的方式是重新建立一個新的陣列，拷貝原來的資料到新的陣列中，並將新的元素插入到新的陣列中，舊的陣列則會被垃圾回收。
- 預設容量：10
- 擴容規則
-
JDK 1.6 及之前
int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1; 複製程式碼 -
JDK 1.7 及之後
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); 複製程式碼 -
JDK 1.8
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); } private static int hugeCapacity(int minCapacity) { if (minCapacity < 0) // overflow throw new OutOfMemoryError(); return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ? Integer.MAX_VALUE : MAX_ARRAY_SIZE; } 複製程式碼
-
toArray()
- 2 種實現
Object[] toArray()
<T> T[] toArray(T[] contents)
複製程式碼- 關於 “java.lang.ClassCastException”異常 toArray() 會丟擲異常是因為 toArray() 返回的是 Object[] 陣列，將 Object[] 轉換為其它型別(如如，將Object[]轉換為的Integer[])則會丟擲“java.lang.ClassCastException”異常，因為Java不支援向下轉型。
- 關於轉換為陣列的方式
// toArray(T[] contents)呼叫方式一
public static Integer[] vectorToArray1(ArrayList<Integer> v) {
Integer[] newText = new Integer[v.size()];
v.toArray(newText);
return newText;
}
// toArray(T[] contents)呼叫方式二。最常用！
public static Integer[] vectorToArray2(ArrayList<Integer> v) {
Integer[] newText = (Integer[])v.toArray(new Integer[0]);
return newText;
}
// toArray(T[] contents)呼叫方式三
public static Integer[] vectorToArray3(ArrayList<Integer> v) {
Integer[] newText = new Integer[v.size()];
Integer[] newStrings = (Integer[])v.toArray(newText);
return newStrings;
}
複製程式碼注意點
- 多執行緒的話不使用 ArrayList，而是使用 Vector。
LinkedList
一種可以在任意位置進行高效插入及刪除的操作的有序序列
簡介
- 繼承了 AbstractSequentialList 的雙向連結串列，因此 LinkedList 是可以被當做堆疊、列表和雙端列表進行操作
- 實現 List 介面，進行佇列的操作
- 實現 Cloneable 介面，可以進行克隆操作
- 實現 Deque 介面，可以進行雙端佇列操作
- 實現 java.io.Serializable 介面，可以實現序列化
- 非同步的
定義
java.lang.Object
↳ java.util.AbstractCollection<E>
↳ java.util.AbstractList<E>
↳ java.util.AbstractSequentialList<E>
↳ java.util.LinkedList<E>
public class LinkedList<E>
extends AbstractSequentialList<E>
implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
複製程式碼特性
- 順序訪問的效率高，但是隨機訪問的效率比較低
- 刪除及新增的操作效率高
- 不同步（執行緒不安全）
將LinkedList當作 LIFO(後進先出)的堆疊示例
public static void useLinkedListAsLIFO() {
System.out.println("\nuseLinkedListAsLIFO");
// 新建一個LinkedList
LinkedList stack = new LinkedList();
// 將1,2,3,4新增到堆疊中
stack.push("1");
stack.push("2");
stack.push("3");
stack.push("4");
// 列印“棧”
System.out.println("stack:"+stack);
// 刪除“棧頂元素”
System.out.println("stack.pop():"+stack.pop());
// 取出“棧頂元素”
System.out.println("stack.peek():"+stack.peek());
// 列印“棧”
System.out.println("stack:"+stack);
}
複製程式碼將LinkedList當作 FIFO(先進先出)的佇列
public static void useLinkedListAsFIFO() {
System.out.println("\nuseLinkedListAsFIFO");
// 新建一個LinkedList
LinkedList queue = new LinkedList();
// 將10,20,30,40新增到佇列。每次都是插入到末尾
queue.add("10");
queue.add("20");
queue.add("30");
queue.add("40");
// 列印“佇列”
System.out.println("queue:"+queue);
// 刪除(佇列的第一個元素)
System.out.println("queue.remove():"+queue.remove());
// 讀取(佇列的第一個元素)
System.out.println("queue.element():"+queue.element());
// 列印“佇列”
System.out.println("queue:"+queue);
}
複製程式碼HashMap（JDK 1.7 及之前）
簡介
HashMap 它是基於 hash 表的 Map 介面實現，以 key-value 的形式存在的，HashMap 總是以 key-value 的形式存在的，系統會通過計算 key 的 hash 值來定位 key-value 的儲存位置的，我們可以快速的通過 key 來存取 value;
定義
public class HashMap<K,V>
extends AbstractMap<K,V>
implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable
複製程式碼資料結構
關於 HashMap 的資料結構，底層的話還是陣列的，只不過陣列的每一項就是一個連結串列
建構函式的原始碼
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
//初始容量不能<0
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: "
+ initialCapacity);
//初始容量不能 > 最大容量值，HashMap的最大容量值為2^30
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
//負載因子不能 < 0
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: "
+ loadFactor);
// 計算出大於 initialCapacity 的最小的 2 的 n 次方值。
int capacity = 1;
while (capacity < initialCapacity)
capacity <<= 1;
this.loadFactor = loadFactor;
//設定HashMap的容量極限，當HashMap的容量達到該極限時就會進行擴容操作
threshold = (int) (capacity * loadFactor);
//初始化table陣列
table = new Entry[capacity];
init();
}
複製程式碼Entry 的原始碼
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final K key;
V value;
Entry<K,V> next;
final int hash;
/**
* Creates new entry.
*/
Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
value = v;
next = n;
key = k;
hash = h;
}
.......
}
複製程式碼Entry 是 HashMap 的內部類，其中包含了 key，value 和 下一個 Entry，以及 hash 值，正因為有這下才構成了陣列的項為一個列表。
容量、載入因子、臨界值及雜湊衝突
- 容量：table 陣列的大小，一般預設為 16
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
複製程式碼- 載入因子：表示 table 陣列的飽和程度
- 載入因子越大,填滿的元素越多,空間利用率越高，但衝突的機會加大了。 反之;
- 載入因子越小,填滿的元素越少,衝突的機會減小,但空間浪費多了。
- 臨界值：
- 為了避免造成雜湊衝突率，那麼當 HashMap 的陣列長度達到一個臨界值的時候就會觸發擴容，把所有的元素重新計算 hash 值，再放到擴容後的容器中，這是一個比較耗時的操作。
- 臨界值由載入因子及當前的容量來決定，預設情況下 16*0.75=12 就會觸發擴容
DEFAULT_INITIAL_CAPACITY*DEFAULT_LOAD_FACTOR 複製程式碼 - 為了避免造成雜湊衝突率，那麼當 HashMap 的陣列長度達到一個臨界值的時候就會觸發擴容，把所有的元素重新計算 hash 值，再放到擴容後的容器中，這是一個比較耗時的操作。
雜湊衝突
在關鍵字的 hash 地址上已經有了記錄，那麼這就是雜湊衝突
複製程式碼- 解決衝突的方法
- 開放定址法
- 再雜湊法
- 建立一個公共溢位區
- 鏈地址法（拉鍊法）
儲存實現：put(key,value)
public V put(K key, V value) {
//當key為null，呼叫putForNullKey方法，儲存null與table第一個位置中，這是HashMap允許為null的原因
if (key == null)
return putForNullKey(value);
//計算key的hash值
int hash = hash(key.hashCode()); ------(1)
//計算key hash 值在 table 陣列中的位置
int i = indexFor(hash, table.length); ------(2)
//從i出開始迭代 e,找到 key 儲存的位置
for (Entry<K, V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
Object k;
//判斷該條鏈上是否有hash值相同的(key相同)
//若存在相同，則直接覆蓋value，返回舊value
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
V oldValue = e.value; //舊值 = 新值
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue; //返回舊值
}
}
//修改次數增加1
modCount++;
//將 key、value 新增至i位置處
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}
複製程式碼（1）處程式碼實現：技術 hash 值
static int hash(int h) {
h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}
複製程式碼（2）處程式碼實現：根據 hash 值計算出 key 在 table 陣列中所對應的位置
static int indexFor(int h, int length) {
return h & (length-1);
}
複製程式碼（3）將節點插入表頭
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
//獲取bucketIndex處的Entry
Entry<K, V> e = table[bucketIndex];
//將新建立的 Entry 放入 bucketIndex 索引處，並讓新的 Entry 指向原來的 Entry
table[bucketIndex] = new Entry<K, V>(hash, key, value, e);
//若HashMap中元素的個數超過極限了，則容量擴大兩倍
if (size++ >= threshold)
resize(2 * table.length);
}
複製程式碼儲存步驟：
- step 1：判斷 key 是否為 null，若為 null，那麼直接呼叫 putForNullKey 方法（table[0] 的陣列項），否則進入 step2；
- step 2：計算 key 的 hash 值
- step 3：計算 key 的 hash 值在 table 陣列中的位置 index
- step 4：在 table[index] 項中迭代，找出 key 的儲存位置，如果存在則替換就的值，並將舊的值返回，如果不存在對應的 key 的儲存位置，則進入 step5;
- step 5：將 key-value 放在 table[index] 的連結串列頭
擴容問題
隨著 HashMap 中的元素越來越多，發生 hash 衝突的概率越來越大，連結串列的長度越來越長，查詢的效率就越來越低；這樣我們就必須在 HashMap 的某個臨界值進行擴容處理。擴容的方式：重新建立一個新的 table 陣列，重新計算 key 的 hash 值，並放入新的 table 陣列中，這樣的操作是比較耗時的，如果我們能夠預知 HashMap 中的大小時，我們可以指定 HashMap 中的元素個數。
- 讀取實現：get(key) 通過 key 的 hash 值找到在 table 陣列中的索引處的 Entry，然後返回該 key 對應的 value 即可。
public V get(Object key) {
// 若為null，呼叫getForNullKey方法返回相對應的value
if (key == null)
return getForNullKey();
// 根據該 key 的 hashCode 值計算它的 hash 碼
int hash = hash(key.hashCode());
// 取出 table 陣列中指定索引處的值
for (Entry<K, V> e = table[indexFor(hash, table.length)]; e != null; e = e.next) {
Object k;
//若搜尋的key與查詢的key相同，則返回相對應的value
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))
return e.value;
}
return null;
}
複製程式碼HashMap 非同步
HashMap 是執行緒不安全的，我們可以通過 Collections 的靜態方法 SynchronizedMap 來獲取執行緒安全的 HashMap
Map map = Collections.SynchronizedMap(new HashMap<>();
複製程式碼LinkedHashMap
介紹
- LinkedHashMap 是 HashMap 的子類，因此 LinkedHashMap 擁有 HashMap 中的所有特性，但是 HashMap 的迭代是沒有順序的。LinkedHashMap 通過維護一個雙連結串列來保證迭代的順序（插入順序或者訪問順序），但是同時也增加了時間和空間的開銷。
資料結構
- HashMap(陣列+連結串列)+雙連結串列
雙連結串列
```
/**
* HashMap.Node subclass for normal LinkedHashMap entries.
*/
static class LinkedHashMapEntry<K,V> extends HashMap.Node<K,V> {
LinkedHashMapEntry<K,V> before, after;
LinkedHashMapEntry(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
super(hash, key, value, next);
}
}
```
複製程式碼重要變數
- head：雙連結串列頭部，儲存最早插入的元素。
- tail：雙連結串列的尾部，儲存最近插入的元素。
- accessOrder：訪問順序（true：訪問順序迭代；false：插入順序迭代）
重要函式
// Callbacks to allow LinkedHashMap post-actions
// 訪問元素之後
void afterNodeAccess(Node<K,V> p) { }
// 插入節點之後
void afterNodeInsertion(boolean evict) { }
// 刪除節點之後
void afterNodeRemoval(Node<K,V> p) { }
複製程式碼HashMap 和 HashTable 的區別
HashTable 和 HashMap 都實現了 Map 介面，他們的主要區別在於執行緒安全、速度。
- HashMap 可以接受 key 為 null，HashTable 不可以接受 key 為 null
- HashMap 是執行緒不安全（非 synchronize），HashTable 是執行緒安全的（synchronize)。synchronize 代表著每一次在一個執行緒中修改 HashTable 中的資料時，都需要獲得同步鎖，其他的執行緒要修改 HashTable 中的資料時，需要等待同步鎖被釋放才能進行。
- HashMap 的迭代器是 Iterator，HashTable 的迭代器是 enumerator。
- 在單執行緒的操作中，HashMap 的操作速度要比 HashTable 快，因為 HashTable 是 synchronize 的，所以會有同步鎖的獲取和釋放過程。
HashSet
- 介紹
- HashSet 是基於 HashMap 實現的，底層是使用 HashMap 來儲存陣列的