Java数据结构之List，Set，Map

时间：2022-05-22 10:37:48

 

java.util包中三个重要的接口及特点：List（列表）、Set（保证集合中元素唯一）、Map（维护多个key-value键值对，保证key唯一）。其不同子类的实现各有差异，如是否同步（线程安全）、是否有序。

常用类继承树：

Java数据结构之List，Set，Map

以下结合源码讲解常用类实现原理及相互之间的差异。

Collection （所有集合类的接口）
List、Set都继承自Collection接口，查看JDK API，操作集合常用的方法大部分在该接口中定义了。

Java数据结构之List，Set，Map
 
Collections （操作集合的工具类）
对于集合类的操作不得不提到工具类Collections，它提供了许多方便的方法，如求两个集合的差集、并集、拷贝、排序等等。
由于大部分的集合接口实现类都是不同步的，可以使用Collections.synchronized*方法创建同步的集合类对象。
如创建一个同步的List：
List synList = Collections.synchronizedList(new ArrayList());
其实现原理就是重新封装new出来的对象，操作对象时用关键字synchronized同步。看源码很容易理解。
Collections部分源码： 
static class SynchronizedCollection<e> implements Collection<e>, Serializable { final Collection<e> c;  // Backing Collection 
        final Object mutex;     // Object on which to synchronize 
 SynchronizedCollection(Collection<e> c) { if (c==null) throw new NullPointerException(); this.c = c; mutex = this; } //... 
        public boolean add(E e) { //操作集合时简单调用原本的ArrayList对象，只是做了同步 
            synchronized (mutex) {return c.add(e);} } }

List （列表）

ArrayList、Vector是线性表，使用Object数组作为容器去存储数据的，添加了很多方法维护这个数组，使其容量可以动态增长，极大地提升了开发效率。它们明显的区别是ArrayList是非同步的，Vector是同步的。不用考虑多线程时应使用ArrayList来提升效率。
ArrayList、Vector 部分源码：

public boolean add(E e) { ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!! //可以看出添加的对象放到elementData数组中去了 
    elementData[size++] = e; return true; } //ArrayList.remove 
public E remove(int index) { rangeCheck(index); modCount++; E oldValue = elementData(index); int numMoved = size - index - 1; if (numMoved > 0) //移除元素时数组产生的空位由System.arraycopy方法将其后的所有元素往前移一位，System.arraycopy调用虚拟机提供的本地方法来提升效率 
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved); elementData[--size] = null; // 让java虚拟机里面的GC来处理
   
    return oldValue; } //Vector add方法上多了synchronized关键字 
public synchronized boolean add(E e) { modCount++; ensureCapacityHelper(elementCount + 1); elementData[elementCount++] = e; return true; }
LinkedList是链表，链表随机位置插入、删除数据时比线性表快，遍历比线性表慢。
双向链表原理图：
Java数据结构之List，Set，Map
LinkedList部分源码： 
public class LinkedList<e>  
extends AbstractSequentialList<e>  
implements List<e>, Deque<e>, Cloneable, java.io.Serializable { //头尾节点 
    transient Node<e> first; transient Node<e> last; } //节点类 
 private static class Node<e> { //节点存储的数据 
 E item; Node<e> next; Node<e> prev; Node(Node<e> prev, E element, Node<e> next) { this.item = element; this.next = next; this.prev = prev; } }

由此可根据实际情况来选择使用ArrayList（非同步、非频繁删除时选择）、Vector（需同步时选择）、LinkedList（频繁在任意位置插入、删除时选择）。

Map（存储键值对，key唯一）

HashMap结构的实现原理是将put进来的key-value封装成一个Entry对象存储到一个Entry数组中，位置（数组下标）由key的哈希值与数组长度计算而来。如果数组当前下标已有值，则将数组当前下标的值指向新添加的Entry对象。
有点晕，看图吧：

Java数据结构之List，Set，Map

public class HashMap<k,v>  
extends AbstractMap<k,v>  
implements Map<k,v>, Cloneable, Serializable { transient Entry<k,v>[] table; public V put(K key, V value) { if (key == null) return putForNullKey(value); int hash = hash(key); int i = indexFor(hash, table.length); //遍历当前下标的Entry对象链，如果key已存在则替换 
        for (Entry<k,v> e = table[i]; e != null; e = e.next) { Object k; if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) { V oldValue = e.value; e.value = value; e.recordAccess(this); return oldValue; } } addEntry(hash, key, value, i); return null; } } static class Entry<k,v> implements Map.Entry<k,v> { final K key; V value; Entry<k,v> next; int hash; }

TreeMap是由Entry对象为节点组成的一颗红黑树，put到TreeMap的数据默认按key的自然顺序排序，new TreeMap时传入Comparator自定义排序。红黑树网上很多资料，自己查阅。

Set（保证容器内元素唯一性）
之所以先讲Map是因为Set结构其实就是维护一个Map来存储数据的，利用Map结构key值唯一性。
HashSet部分源码：

public class HashSet<e>  
extends AbstractSet<e>  
implements Set<e>, Cloneable, java.io.Serializable { //无意义对象来作为Map的value 
    private static final Object PRESENT = new Object(); public boolean add(E e) { return map.put(e, PRESENT)==null; } } 
<span style="font-size:18px;"><strong> HashMap 支持key=null 但是 Hashtable 不支持 key =null</strong></span><span style="font-size:14px;">  
</span>

HashMap和Hashtable的区别

HashMap和Hashtable都实现了Map接口，但决定用哪一个之前先要弄清楚它们之间的分别。主要的区别有：线程安全性，同步(synchronization)，以及速度。

  1. HashMap几乎可以等价于Hashtable，除了HashMap是非synchronized的，并可以接受null(HashMap可以接受为null的键值(key)和值(value)，而Hashtable则不行)。
  2. HashMap是非synchronized，而Hashtable是synchronized，这意味着Hashtable是线程安全的，多个线程可以共享一个Hashtable；而如果没有正确的同步的话，多个线程是不能共享HashMap的。Java 5提供了ConcurrentHashMap，它是HashTable的替代，比HashTable的扩展性更好。
  3. 另一个区别是HashMap的迭代器(Iterator)是fail-fast迭代器，而Hashtable的enumerator迭代器不是fail-fast的。所以当有其它线程改变了HashMap的结构（增加或者移除元素），将会抛出ConcurrentModificationException，但迭代器本身的remove()方法移除元素则不会抛出ConcurrentModificationException异常。但这并不是一个一定发生的行为，要看JVM。这条同样也是Enumeration和Iterator的区别。
  4. 由于Hashtable是线程安全的也是synchronized，所以在单线程环境下它比HashMap要慢。如果你不需要同步，只需要单一线程，那么使用HashMap性能要好过Hashtable。
  5. HashMap不能保证随着时间的推移Map中的元素次序是不变的。

要注意的一些重要术语：

1) sychronized意味着在一次仅有一个线程能够更改Hashtable。就是说任何线程要更新Hashtable时要首先获得同步锁，其它线程要等到同步锁被释放之后才能再次获得同步锁更新Hashtable。

2) Fail-safe和iterator迭代器相关。如果某个集合对象创建了Iterator或者ListIterator，然后其它的线程试图“结构上”更改集合对象，将会抛出ConcurrentModificationException异常。但其它线程可以通过set()方法更改集合对象是允许的，因为这并没有从“结构上”更改集合。但是假如已经从结构上进行了更改，再调用set()方法，将会抛出IllegalArgumentException异常。

3) 结构上的更改指的是删除或者插入一个元素，这样会影响到map的结构。

我们能否让HashMap同步？

HashMap可以通过下面的语句进行同步：
Map m = Collections.synchronizeMap(hashMap);

结论

Hashtable和HashMap有几个主要的不同：线程安全以及速度。仅在需要完全的线程安全的时候使用Hashtable，而如果使用Java 5或以上的话，就使用ConcurrentHashMap。



HashSet、TreeSet分别默认维护一个HashMap、TreeMap。

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