Java容器詳解

weixin_34126215發表於2016-03-02

線性表,連結串列,雜湊表是常用的資料結構,在進行Java開發時,JDK已經為我們提供了一系列相應的類來實現基本的資料結構。這些類均在java.util包中。在Java中,容器的型別主要有:List、Set、Stack、Queue、Map這幾種型別,其關係如下:

Collection 介面
├List       介面
│├LinkedList       連結串列
│├ArrayList         順序結構動態陣列類
│└Vector         向量
│ └Stack       棧
└Set
Map
├Hashtable
├HashMap
└WeakHashMap List介面

Collection介面
   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。
  如何遍歷Collection中的每一個元素?不論Collection的實際型別如何,它都支援一個iterator()的方法,該方法返回一個迭代子,使用該迭代子即可逐一訪問Collection中每一個元素。典型的用法如下:
    Iterator it = collection.iterator(); // 獲得一個迭代子
    while(it.hasNext()) {
      Object obj = it.next(); // 得到下一個元素
    }
  由Collection介面派生的兩個介面是List和Set。

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。

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。

總結

  ArrayList和HashMap是非同步的,Vector和HashTable是同步的,所以Vector和HashTable是執行緒安全的,而ArrayList和HashMap並不是執行緒安全的。因為同步需要花費機器時間,所以Vector和HashTable的執行效率要低於ArrayList和HashMap。
  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。

 

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