計算機程序的思惟邏輯 (55) - 容器類總結

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從38節到54節，咱們介紹了多種容器類，本節進行簡要總結，咱們主要從三個角度進行總結：

• 用法和特色
• 數據結構和算法
• 設計思惟和模式

用法和特色

咱們在52節展現過一張圖，其中包含了容器類主要的接口和類，咱們仍是用這個圖總結一下：

容器類有兩個根接口，分別是Collection和Map，Collection表示單個元素的集合，Map表示鍵值對的集合。

Collection表示的數據集合有基本的增、刪、查、遍歷等方法，但沒有定義元素間的順序或位置，也沒有規定是否有重複元素。

List是Collection的子接口，表示有順序或位置的數據集合，增長了根據索引位置進行操做的方法。它有兩個主要的實現類，ArrayList和LinkedList，ArrayList基於數組實現，LinkedList基於鏈表實現，ArrayList的隨機訪問效率很高，但從中間插入和刪除元素須要移動元素，效率比較低，LinkedList則正好相反，隨機訪問效率比較低，但增刪元素只須要調整鄰近節點的連接。

Set也是Collection的子接口，它沒有增長新的方法，但保證不含重複元素。它有兩個主要的實現類，HashSet和TreeSet，HashSet基於哈希表實現，要求鍵重寫hashCode方法，效率更高，但元素間沒有順序，TreeSet基於排序二叉樹實現，元素按比較有序，元素須要實現Comparable接口，或者建立TreeSet時提供一個Comparator對象。HashSet還有一個子類LinkedHashSet能夠按插入有序。還有一個針對枚舉類型的實現類EnumSet，它基於位向量實現，效率很高。

Queue是Collection的子接口，表示先進先出的隊列，在尾部添加，從頭部查看或刪除。Deque是Queue的子接口，表示更爲通用的雙端隊列，有明確的在頭或尾進行查看、添加和刪除的方法。普通隊列有兩個主要的實現類，LinkedList和ArrayDeque，LinkedList基於鏈表實現，ArrayDeque基於循環數組實現，通常而言，若是隻須要Deque接口，ArrayDeque的效率更高一些。

Deque還有一個特殊的實現類PriorityQueue，它表示優先級隊列，內部是用堆實現的，堆除了用於實現優先級隊列，還能夠高效方便的解決不少其餘問題，好比求前K個最大的元素、求中值等。

Map接口表示鍵值對集合，常常根據鍵進行操做，它有兩個主要的實現類，HashMap和TreeMap。HashMap基於哈希表實現，要求鍵重寫hashCode方法，操做效率很高，但元素沒有順序。TreeMap基於排序二叉樹實現，要求鍵實現Comparable接口，或提供一個Comparator對象，操做效率稍低，但能夠按鍵有序。

HashMap還有一個子類LinkedHashMap，它能夠按插入或訪問有序。之因此能有序，是由於每一個元素還加入到了一個雙向鏈表中。若是鍵原本就是有序的，使用LinkedHashMap而非TreeMap能夠提升效率。按訪問有序的特色能夠方便的用於實現LRU緩存。

若是鍵爲枚舉類型，可使用專門的實現類EnumMap，它使用效率更高的數組實現。

須要說明的是，咱們介紹的各類容器類都不是線程安全的，也就是說，若是多個線程同時讀寫同一個容器對象，是不安全的。若是須要線程安全，可使用Collections提供的synchronizedXXX方法對容器對象進行同步，或者使用線程安全的專門容器類。

此外，容器類提供的迭代器都有一個特色，都會在迭代中間進行結構性變化檢測，若是容器發生告終構性變化，就會拋出ConcurrentModificationException，因此不能在迭代中間直接調用容器類提供的add/remove方法，如需添加和刪除，應調用迭代器的相關方法。

在解決一個特定問題時，常常須要綜合使用多種容器類。好比要統計一本書中出現次數最多的前10個單詞，能夠先使用HashMap統計每一個單詞出現的次數，再使用47節介紹的TopK類用PriorityQueue求前十個10單詞，或者使用Collections提供的sort方法。

在以前各節介紹的例子中，爲簡單起見，容器中的元素類型每每是簡單的，但須要說明的是，它們也能夠是複雜的自定義類型，也能夠是容器類型。好比在一個新聞應用中，表示當天的前十大新聞能夠用一個List表示，形如List<News>，而爲了表示每一個分類的前十大新聞，能夠用一個Map表示，鍵爲分類Category，值爲List<News>，形如Map<Category, List<News>>，而表示天天的每一個分類的前十大新聞，能夠在Map中使用Map，鍵爲日期，值也是一個Map，形如Map<Date, Map<Category, List<News>>。

數據結構和算法

在容器類中，咱們看到了以下數據結構的應用：

• 動態數組：ArrayList內部就是動態數組，HashMap內部的鏈表數組也是動態擴展的，ArrayDeque和PriorityQueue內部也都是動態擴展的數組。
• 鏈表：LinkedList是用雙向鏈表實現的，HashMap中映射到同一個鏈表數組的鍵值對是經過單向鏈表連接起來的，LinkedHashMap中每一個元素還加入到了一個雙向鏈表中以維護插入或訪問順序。
• 哈希表：HashMap是用哈希表實現的，HashSet, LinkedHashSet和LinkedHashMap基於HashMap，內部固然也是哈希表。
• 排序二叉樹：TreeMap是用紅黑樹(基於排序二叉樹)實現的，TreeSet內部使用TreeMap，固然也是紅黑樹，紅黑樹能保持元素的順序且綜合性能很高。
• 堆：PriorityQueue是用堆實現的，堆邏輯上是樹，物理上是動態數組，堆能夠高效地解決一些其餘數據結構難以解決的問題。
• 循環數組：ArrayDeque是用循環數組實現的，經過對頭尾變量的維護，實現了高效的隊列操做。
• 位向量：EnumSet是用位向量實現的，對於只有兩種狀態，且須要進行集合運算的數據，使用位向量進行表示、位運算進行處理，精簡且高效。

每種數據結構中每每包含必定的算法策略，這種策略每每是一種折中，好比：

• 動態擴展算法：動態數組的擴展策略，通常是指數級擴展的，是在兩方面進行平衡，一方面是但願減小內存消耗，另外一方面但願減小內存分配、移動和拷貝的開銷。
• 哈希算法：哈希表中鍵映射到鏈表數組索引的算法，算法要快，同時要儘可能隨機和均勻。
• 排序二叉樹的平衡算法：排序二叉樹的平衡很是重要，紅黑樹是一種平衡算法，AVL樹是另外一種，平衡算法一方面要保證儘可能平衡，另外一方面要儘可能減小綜合開銷。

Collections實現了一些通用算法，好比二分查找、排序、翻轉列表順序、隨機化重排、循環移位等，在實現大部分算法時，Collections也都根據容器大小和是否實現了RandomAccess接口採用了不一樣的實現方式。

設計思惟和模式

在容器類中，咱們也看到了Java的多種語言機制和設計思惟的運用：

• 封裝：封裝就是提供簡單接口，並隱藏實現細節，這是程序設計的最重要思惟。在容器類中，不少類、方法和變量都是私有的，好比迭代器方法，基本都是經過私有內部類或匿名內部類實現的。
• 繼承和多態：繼承能夠複用代碼，便於按父類統一處理，但咱們也說過，繼承是一把雙刃劍。在容器類中，Collection是父接口，List/Set/Queue繼承自Collection，經過Collection接口能夠統一處理多種類型的集合對象。容器類定義了不少抽象容器類，具體類經過繼承它們以複用代碼，每一個抽象容器類都有詳細的文檔說明，描述其實現機制，以及子類應該如何重寫方法。容器類的設計展現了接口繼承、類繼承、以及抽象類的恰當應用。
• 組合：通常而言，組合應該優先於繼承，咱們看到HashSet經過組合的方式使用HashMap，TreeSet經過組合使用TreeMap，適配器和裝飾器模式也都是經過組合實現的。
• 接口：面向接口編程是一種重要的思惟，可下降代碼間的耦合，提升代碼複用程度，在容器類方法中，接受的參數和返回值每每都是接口，Collections提供的通用算法，操做的也都是接口對象，咱們平時在使用容器類時，通常也只在建立對象時使用具體類，而其餘地方都使用接口。
• 設計模式：咱們在容器類中看到了迭代器、工廠方法、適配器、裝飾器等多種設計模式的應用。

小結

本節咱們從用法和特色、數據結構和算法、以及設計思惟和模式三個角度簡要總結了以前介紹的各類容器類。到此爲止，關於容器類咱們就介紹完了。

到目前爲止，咱們尚未接觸過文件處理，而咱們在平常的電腦操做中，接觸最多的就是各類文件了，讓咱們從下一節開始，一塊兒探討文件操做。

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