List,Set,Queue,Map介面

nadooo發表於2024-08-06

List,Set,Queue,Map介面

一.List介面

List 介面是 Java 集合框架中的一個重要介面，它繼承自 Collection 介面。List 介面表示一個有序的集合，其中的元素可以重複。這意味著在 List 中，每個元素都有一個特定的索引位置，我們可以透過這個索引來訪問或操作元素。

List 介面的主要特點包括：

  1. 有序性：List 集合中的元素是按照它們被插入的順序來儲存的。可以透過索引來訪問集合中的元素。
  2. 允許重複元素：與 Set 介面不同，List 允許儲存重複的元素。
  3. 提供額外的方法：除了從 Collection 介面繼承的方法外，List 介面還定義了一些用於插入、刪除和訪問列表元素的方法，比如 get(int index)、add(int index, E element)、remove(int index) 等。

List 介面的實現類主要包括：

  • ArrayList：基於動態陣列的資料結構實現的列表。它允許快速的隨機訪問，但在列表的末尾之外的位置插入或刪除元素時可能較慢，因為可能需要移動元素。
  • LinkedList：基於連結串列的資料結構實現的列表。它在列表的開頭和結尾進行插入和刪除操作非常快速，但在隨機訪問方面不如 ArrayList。
  • Vector：是一個古老的 List 實現，它是同步的，但通常不推薦使用，因為效能較低，並且大多數需要同步的情況都可以透過使用 Collections.synchronizedList 方法將任何 List 包裝成同步的列表來更靈活地處理。
  • Stack：是 Vector 的一個子類，實現了後進先出（LIFO）的堆疊。不過，Stack 類被認為是過時的，Java 提供了 Deque 介面（及其實現類如 ArrayDeque）作為更現代的替代方案，以提供更強大的雙端佇列功能，同時也支援堆疊操作。

以下是一些 List 介面的常用方法：

  • boolean add(E e)：向列表的末尾新增指定的元素。
  • void add(int index, E element)：在列表的指定位置插入指定的元素。
  • E get(int index)：返回列表中指定位置的元素。
  • E remove(int index)：移除列表中指定位置的元素，並返回被移除的元素。
  • E set(int index, E element)：用指定的元素替換列表中指定位置的元素，並返回原來位置的元素。
  • int size()：返回列表中的元素數量。

由於 List 介面是有序的，並且提供了基於索引的訪問和操作方法，因此它非常適合用於需要頻繁進行插入、刪除和訪問操作的場景。

二.Set介面

Set 介面是 Java 集合框架中的一個重要介面，它繼承自 Collection 介面，用於表示不包含重複元素的集合。以下是對 Set 介面的詳細介紹：

1.介面定義與特點

  • 介面定義：Set 介面是 Java 中的一個介面，它位於 java.util 包中，用於表示不包含重複元素的集合。

  • 特點

    ：

    1. 互異性：Set 集合中的任何兩個元素都不相同，即每個元素只能出現一次。
    2. 無序性：Set 集合中的元素是無序的，即集合不保證元素的任何特定順序。但請注意，某些 Set 的實現（如 LinkedHashSet）可能會保持元素的插入順序。
    3. 不包含重複元素：Set 介面確保集合中不包含重複的元素。

2.主要實現類

Set 介面有幾個主要的實現類，包括但不限於：

  • HashSet：基於雜湊表實現，提供快速的元素插入和查詢操作，但不保證集合的迭代順序。
  • LinkedHashSet：HashSet 的一個子類，它維護了一個執行於所有條目的雙向連結串列，從而按照插入順序來遍歷元素。
  • TreeSet：基於紅黑樹實現，能夠確保集合元素處於排序狀態。預設情況下，元素按照自然順序排序，但也可以指定自定義的比較器進行排序。

3.常用方法

Set 介面繼承了 Collection 介面的所有方法，並新增了一些自己的方法（雖然實際上在 Set 介面中並沒有定義額外的方法，因為 Set 本身就是 Collection 的一種特殊形式）。以下是一些常用的 Set 方法：

  • boolean add(E e)：將指定的元素新增到集合中（如果尚未存在）。
  • boolean remove(Object o)：從集合中刪除指定的元素（如果存在）。
  • boolean contains(Object o)：檢查集合是否包含指定的元素。
  • int size()：返回集合中的元素數量。
  • boolean isEmpty()：檢查集合是否為空。
  • void clear()：清空集合中的所有元素。
  • Iterator<E> iterator()：返回一個迭代器，用於遍歷集合中的元素。

4.使用場景

Set 介面及其實現類在 Java 程式設計中有廣泛的應用場景，特別是在需要儲存不重複元素的集合時。例如，可以使用 Set 來跟蹤唯一的識別符號、在演算法中保持唯一元素的集合、或者作為資料結構的基礎來構建更復雜的資料結構等。

5.注意事項

  • 由於 Set 集合不保證元素的順序，因此在需要有序集合時，應該選擇如 LinkedHashSet 或 TreeSet 這樣的實現類。
  • 在使用 TreeSet 時，如果元素型別沒有實現 Comparable 介面或者沒有提供自定義的比較器，那麼在新增元素時可能會丟擲 ClassCastException 或 NullPointerException。
  • Set 介面的實現類（如 HashSet）通常不是同步的，如果在多執行緒環境中使用，需要外部同步或選擇同步的集合類（如 Collections.synchronizedSet）。

三.Queue介面

在Java中，Queue介面是一種用於表示佇列資料結構的介面，它位於java.util包中。佇列是一種先入先出（FIFO，First-In-First-Out）的資料結構，新元素被新增到佇列的末尾，而訪問元素（移除元素）則發生在佇列的開頭。Queue介面繼承自Collection介面，並擴充套件了佇列的操作。

非阻塞佇列是Queue介面的一種實現，它在操作佇列時不會阻塞當前執行緒。如果嘗試向已滿的非阻塞佇列中新增元素，或者從空佇列中移除元素，這些操作通常會立即返回一個結果或丟擲異常，而不是使執行緒等待。

非阻塞佇列實現：

1. LinkedList

  • 實現：基於雙向連結串列實現的List和Deque介面。
  • 特點：允許包含null元素，並且是非同步的。它實現了所有可選的列表操作，並允許包括null在內的所有元素。除了實現List介面外，LinkedList還提供了雙端佇列的功能，即可以從兩端新增和移除元素。
  • 使用場景：適用於需要頻繁在列表兩端進行插入和刪除操作的場景。由於它是基於連結串列的，因此在這些操作上通常比基於陣列的列表（如ArrayList）要快。

2. ArrayDeque

  • 實現：基於陣列的雙端佇列。
  • 特點：是一個先進先出（FIFO）的佇列，可以從兩端插入和移除元素。它是非阻塞的，且非同步的。與LinkedList相比，ArrayDeque在大多數佇列操作（特別是隨機訪問）上通常具有更好的效能，因為它減少了節點分配的開銷。
  • 使用場景：適用於需要高效能雙端佇列操作的場景。

3. PriorityQueue

  • 實現：基於優先順序堆的一個無界優先順序佇列。
  • 特點：元素的排序是根據其自然順序或構造佇列時提供的Comparator來確定的。佇列的頭部是佇列中優先順序最高的元素。PriorityQueue不允許null元素，且不是執行緒安全的。
  • 使用場景：適用於需要根據元素的優先順序來檢索元素的場景。例如，任務排程、事件處理等。

4. ConcurrentLinkedQueue

  • 實現：基於連結節點的無界執行緒安全佇列。
  • 特點：使用非阻塞演算法來實現高併發級別下的執行緒安全。它採用CAS（Compare-And-Swap）操作來確保執行緒安全，而不需要進行外部同步。ConcurrentLinkedQueue是FIFO的，並且是無界的，這意味著它可以無限期地增長。
  • 使用場景：適用於高併發環境下的非阻塞佇列操作。它避免了在多執行緒環境下使用LinkedList時可能遇到的同步問題。

總結

  • 如果你需要一個高效能的雙端佇列，並且不需要執行緒安全，那麼ArrayDeque可能是最好的選擇。
  • 如果你需要一個基於連結串列的佇列，並且需要頻繁在兩端進行插入和刪除操作，那麼LinkedList是合適的。
  • 如果你需要根據元素的優先順序來檢索元素，那麼PriorityQueue是最佳選擇。
  • 如果你在高併發環境下需要一個執行緒安全的非阻塞佇列，那麼ConcurrentLinkedQueue將是理想的選擇。

阻塞佇列實現：

在Java的併發程式設計中，ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue、PriorityBlockingQueue、DelayQueue、SynchronousQueue、LinkedTransferQueue和LinkedBlockingDeque是幾種常見的阻塞佇列實現，它們各自具有不同的特性和應用場景。以下是對這些佇列的詳細解析：

1. ArrayBlockingQueue

  • 特性：基於陣列結構的有界阻塞佇列，按FIFO（先進先出）原則對元素進行排序。
  • 應用場景：適合用於那些需要固定大小緩衝區的場景，如生產者-消費者模式中的緩衝區。
  • 執行緒安全性：透過內部鎖機制保證執行緒安全。
  • 阻塞行為：當佇列滿時，新增元素的操作會阻塞；當佇列空時，移除元素的操作會阻塞。

2. LinkedBlockingQueue

  • 特性：基於連結串列結構的阻塞佇列，按FIFO排序元素，吞吐量通常高於ArrayBlockingQueue。
  • 應用場景：適用於高併發環境下的生產者-消費者模式，可作為任務佇列使用。
  • 執行緒安全性：內部使用鎖和條件變數保證執行緒安全。
  • 容量：可選容量，預設為Integer.MAX_VALUE，即幾乎無界。

3. PriorityBlockingQueue

  • 特性：基於陣列的優先順序阻塞佇列，無界，每次出隊都返回優先順序最高的元素。
  • 應用場景：適合需要按照優先順序順序處理任務的場景。
  • 排序：元素可以根據自然順序或構造時指定的Comparator進行排序。
  • 執行緒安全性：內部使用鎖和條件變數保證執行緒安全。

4. DelayQueue

  • 特性：無界阻塞佇列，用於放置實現了Delayed介面的物件，其中的元素只能在其指定的延遲時間到了之後才能從佇列中取走。
  • 應用場景：適合快取失效管理、任務排程等場景。
  • 執行緒安全性：內部使用PriorityQueue實現，並保證了執行緒安全。

5. SynchronousQueue

  • 特性：不儲存元素的阻塞佇列，每個插入操作必須等待另一個執行緒呼叫移除操作，否則插入操作一直處於阻塞狀態。
  • 應用場景：適用於傳遞性場景，如執行緒間的直接手遞手傳遞。
  • 執行緒安全性：內部使用鎖和條件變數保證執行緒安全。

6. LinkedTransferQueue

  • 特性：基於連結串列結構的無界阻塞TransferQueue，相比LinkedBlockingQueue增加了非阻塞的轉移方法。
  • 應用場景：適用於高併發環境下的複雜生產者-消費者場景，支援多個消費者。
  • 執行緒安全性：內部使用鎖和條件變數保證執行緒安全。

7. LinkedBlockingDeque

  • 特性：基於連結串列結構的雙端阻塞佇列，支援在兩端插入和移除元素。
  • 應用場景：適用於需要從佇列兩端進行操作的場景，如棧和佇列的混合使用。
  • 執行緒安全性：內部使用鎖和條件變數保證執行緒安全。

總結

以上七種阻塞佇列各有其特點和適用場景，開發者在選擇時應根據具體需求進行評估和選擇。例如，如果需要固定大小的緩衝區，則可以選擇ArrayBlockingQueue；如果需要無界且按優先順序排序的佇列，則可以選擇PriorityBlockingQueue；如果需要按延遲時間處理元素，則可以選擇DelayQueue等。同時，這些佇列都提供了執行緒安全的保證，使得在多執行緒環境下使用更加安全可靠。

四.Map介面

在Java中，HashMap、TreeMap、LinkedHashMap、ConcurrentHashMap、IdentityHashMap和Hashtable都是用於儲存鍵值對的集合框架中的類，但它們各自具有不同的特性和用途。下面將簡要介紹每個類的特點和用途：

  1. HashMap
    • HashMap是基於雜湊表的Map介面的非同步實現。它允許使用null值和null鍵。
    • 它不保證對映的順序；特別是，它不保證該順序會隨時間保持不變。
    • 它是基於雜湊表的，因此其查詢、插入和刪除操作的平均時間複雜度為O(1)。
  2. TreeMap
    • TreeMap是基於紅黑樹（Red-Black tree）的NavigableMap實現。
    • 它能夠按照自然順序或者構造時所提供的Comparator進行排序。
    • TreeMap不允許使用null鍵；null值是可以的，但只能有一個。
    • 它保證了鍵的順序是升序的，無論是自然順序還是透過Comparator指定的順序。
  3. LinkedHashMap
    • LinkedHashMap是HashMap的一個子類，它維護著一個執行於所有條目的雙重連結列表。
    • 這個連結列表定義了迭代器的遍歷順序，即按照元素被插入的順序或最近最少使用的順序（LRU）進行遍歷。
    • 它允許使用null鍵和null值。
  4. ConcurrentHashMap
    • ConcurrentHashMap是專為併發環境設計的，它實現了ConcurrentMap介面。
    • 它透過分段鎖（在Java 8及更高版本中透過CAS操作和synchronized塊最佳化）提供了比Hashtable更高的併發級別。
    • 它不允許使用null鍵和null值。
    • 它的迭代器提供了弱一致性的檢視，這反映了某一時間點或者迭代開始時的集合狀態，而不是實時的集合狀態。
  5. IdentityHashMap
    • IdentityHashMap使用==而不是equals()方法來比較鍵。
    • 這意味著對於兩個物件，即使它們的內容相同（即equals()方法返回true），但如果它們在記憶體中的位置不同，它們將被視為不同的鍵。
    • 它允許使用null鍵和null值。
  6. Hashtable
    • Hashtable是同步的，它實現了Map介面。
    • 它不允許使用null鍵和null值。
    • 它是基於雜湊表的，但與HashMap相比，它的所有方法都是同步的，這意味著它在多執行緒環境下是執行緒安全的，但可能會導致效能下降。
    • 它繼承自Dictionary類，是Java早期的一個集合類，現在通常建議使用ConcurrentHashMap來代替它，以獲得更好的併發效能。

總結：

  • 對於需要排序的Map，使用TreeMap。
  • 對於需要保持插入順序的Map，使用LinkedHashMap。
  • 對於併發環境下的Map，使用ConcurrentHashMap。
  • 如果需要根據物件的記憶體地址（而非equals()方法）來比較鍵，使用IdentityHashMap。
  • 對於需要執行緒安全的Map，但在Java 8及以上版本，推薦使用ConcurrentHashMap而不是Hashtable，因為ConcurrentHashMap提供了更好的併發效能和靈活性。

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