JDK高性能編程之容器

時間 2019-11-24

標籤 jdk 高性能編程容器欄目 Java 简体版

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JDK高性能編程之容器

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j360-jdk調試功能git

https://github.com/xuminwlt/j360-jdk github

內容

容器

-Collection
List
 ArrayList
 LinkedList
 Vector
  Stack
Set
 HashSet
Queue

-Map
 HashMap
 HashTable
 WeahHashMap

Collection是最基本的集合接口，一個Collection表明一組Object，即Collection的元素（Elements）。一些 Collection容許相同的元素而另外一些不行。一些能排序而另外一些不行。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「子接口」如List和Set。算法

　　全部實現Collection接口的類都必須提供兩個標準的構造函數：無參數的構造函數用於建立一個空的Collection，有一個 Collection參數的構造函數用於建立一個新的Collection，這個新的Collection與傳入的Collection有相同的元素。後一個構造函數容許用戶複製一個Collection編程

Collection數組

* @param <E> the type of elements in this collection
* @see     Set
* @see     List
* @see     Map
* @see     SortedSet
* @see     SortedMap
* @see     HashSet
* @see     TreeSet
* @see     ArrayList
* @see     LinkedList
* @see     Vector
* @see     Collections
* @see     Arrays
* @see     AbstractCollection
* @since 1.2

public interface Collection<E> extends Iterable<E>

ArrayList
安全

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable

HashTable數據結構

class Hashtable<K,V>
    extends Dictionary<K,V>
    implements Map<K,V>, Cloneable, java.io.Serializable

Iterator和ListIterator迭代器

Iterator迭代器包含的方法有：多線程

hasNext()：若是迭代器指向位置後面還有元素，則返回 true，不然返回false

next()：返回集合中Iterator指向位置後面的元素

remove()：刪除集合中Iterator指向位置後面的元素

ListIterator迭代器包含的方法有：

add(E e): 將指定的元素插入列表，插入位置爲迭代器當前位置以前

hasNext()：以正向遍歷列表時，若是列表迭代器後面還有元素，則返回 true，不然返回false

hasPrevious():若是以逆向遍歷列表，列表迭代器前面還有元素，則返回 true，不然返回false

next()：返回列表中ListIterator指向位置後面的元素

nextIndex():返回列表中ListIterator所需位置後面元素的索引

previous():返回列表中ListIterator指向位置前面的元素

previousIndex()：返回列表中ListIterator所需位置前面元素的索引

remove():從列表中刪除next()或previous()返回的最後一個元素（有點拗口，意思就是對迭代器使用hasNext()方法時，刪除ListIterator指向位置後面的元素；當對迭代器使用hasPrevious()方法時，刪除ListIterator指向位置前面的元素）

set(E e)：從列表中將next()或previous()返回的最後一個元素返回的最後一個元素更改成指定元素e

一．相同點

都是迭代器，當須要對集合中元素進行遍歷不須要干涉其遍歷過程時，這兩種迭代器均可以使用。

二．不一樣點

1.使用範圍不一樣，Iterator能夠應用於全部的集合，Set、List和Map和這些集合的子類型。而ListIterator只能用於List及其子類型。

2.ListIterator有add方法，能夠向List中添加對象，而Iterator不能。

3.ListIterator和Iterator都有hasNext()和next()方法，能夠實現順序向後遍歷，可是ListIterator有hasPrevious()和previous()方法，能夠實現逆向（順序向前）遍歷。Iterator不能夠。

4.ListIterator能夠定位當前索引的位置，nextIndex()和previousIndex()能夠實現。Iterator沒有此功能。

5.均可實現刪除操做，可是ListIterator能夠實現對象的修改，set()方法能夠實現。Iterator僅能遍歷，不能修改。

List接口

　　List是有序的Collection，使用此接口可以精確的控制每一個元素插入的位置。用戶可以使用索引（元素在List中的位置，相似於數組下標）來訪問List中的元素，這相似於Java的數組。

和下面要提到的Set不一樣，List容許有相同的元素。

　　除了具備Collection接口必備的iterator()方法外，List還提供一個listIterator()方法，返回一個 ListIterator接口，和標準的Iterator接口相比，ListIterator多了一些add()之類的方法，容許添加，刪除，設定元素，還能向前或向後遍歷。

　　實現List接口的經常使用類有LinkedList，ArrayList，Vector和Stack。

LinkedList類

　　LinkedList實現了List接口，容許null元素。此外LinkedList提供額外的get，remove，insert方法在 LinkedList的首部或尾部。這些操做使LinkedList可被用做堆棧（stack），隊列（queue）或雙向隊列（deque）。

　　注意LinkedList沒有同步方法。若是多個線程同時訪問一個List，則必須本身實現訪問同步。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實現了可變大小的數組。它容許全部元素，包括null。ArrayList沒有同步。

size，isEmpty，get，set方法運行時間爲常數。可是add方法開銷爲分攤的常數，添加n個元素須要O(n)的時間。其餘的方法運行時間爲線性。

　　每一個ArrayList實例都有一個容量（Capacity），即用於存儲元素的數組的大小。這個容量可隨着不斷添加新元素而自動增長，可是增加算法並無定義。當須要插入大量元素時，在插入前能夠調用ensureCapacity方法來增長ArrayList的容量以提升插入效率。

　　和LinkedList同樣，ArrayList也是非同步的（unsynchronized）。

Vector類

　　Vector很是相似ArrayList，可是Vector是同步的。由Vector建立的Iterator，雖然和 ArrayList建立的Iterator是同一接口，可是，由於Vector是同步的，當一個Iterator被建立並且正在被使用，另外一個線程改變了 Vector的狀態（例如，添加或刪除了一些元素），這時調用Iterator的方法時將拋出 ConcurrentModificationException，所以必須捕獲該異常。

Stack 類

　　Stack繼承自Vector，實現一個後進先出的堆棧。Stack提供5個額外的方法使得Vector得以被看成堆棧使用。基本的push和pop 方法，還有peek方法獲得棧頂的元素，empty方法測試堆棧是否爲空，search方法檢測一個元素在堆棧中的位置。Stack剛建立後是空棧。

Set接口

　　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的構造函數有一個約束條件，傳入的Collection參數不能包含重複的元素。

　　請注意：必須當心操做可變對象（Mutable Object）。若是一個Set中的可變元素改變了自身狀態致使Object.equals(Object)=true將致使一些問題。

總結

　　若是涉及到堆棧，隊列等操做，應該考慮用List，對於須要快速插入，刪除元素，應該使用LinkedList，若是須要快速隨機訪問元素，應該使用ArrayList。

　　若是程序在單線程環境中，或者訪問僅僅在一個線程中進行，考慮非同步的類，其效率較高，若是多個線程可能同時操做一個類，應該使用同步的類。

　　要特別注意對哈希表的操做，做爲key的對象要正確複寫equals和hashCode方法。

　　儘可能返回接口而非實際的類型，如返回List而非ArrayList，這樣若是之後須要將ArrayList換成LinkedList時，客戶端代碼不用改變。這就是針對抽象編程。

Java的容器分爲兩類，一類是Collection，一類是Map。collection中包含三種集合類型：Set，List，Queue。

若是想要set中的數據有序，請使用TreeSet。

HashTable和Vector是線程安全的，可是不建議使用，請使用java.util.concurrent包下的容器。(見多線程讀書筆記)

同步性

Vector是同步的。這個類中的一些方法保證了Vector中的對象是線程安全的。而ArrayList是非同步的，所以ArrayList中的對象並不是線程安全的。由於同步的要求會影響執行的效率，因此若是你不須要線程安全的集合那麼使用ArrayList是一個很好的選擇，這樣能夠避免因爲同步帶來的沒必要要的性能開銷。

數據增加

從內部實現機制來說ArrayList和Vector都是使用數組(Array)來控制集合中的對象。當你向這兩種類型中增長元素的時候，若是元素的數目超出了內部數組目前的長度它們都須要擴展內部數組的長度，Vector缺省狀況下自動增加原來一倍的數組長度，ArrayList是原來的50%,因此最後你得到的這個集合所佔的空間老是比你實際須要的要大。因此若是你要在集合中保存大量的數據那麼使用Vector有一些優點，由於你能夠經過設置集合的初始化大小來避免沒必要要的資源開銷。

使用模式

在ArrayList和Vector中，從一個指定的位置（經過索引）查找數據或是在集合的末尾增長、移除一個元素所花費的時間是同樣的，這個時間咱們用 O(1)表示。可是，若是在集合的其餘位置增長或移除元素那麼花費的時間會呈線形增加：O(n-i)，其中n表明集合中元素的個數，i表明元素增長或移除元素的索引位置。爲何會這樣呢？覺得在進行上述操做的時候集合中第i和第i個元素以後的全部元素都要執行位移的操做。這一切意味着什麼呢？

這意味着，你只是查找特定位置的元素或只在集合的末端增長、移除元素，那麼使用Vector或ArrayList均可以。若是是其餘操做，你最好選擇其餘的集合操做類。好比，LinkList集合類在增長或移除集合中任何位置的元素所花費的時間都是同樣的?O(1)，但它在索引一個元素的使用缺比較慢－O(i),其中i是索引的位置.使用ArrayList也很容易，由於你能夠簡單的使用索引來代替建立iterator對象的操做。LinkList也會爲每一個插入的元素建立對象，全部你要明白它也會帶來額外的開銷。

最後，在《Practical Java》一書中Peter Haggar建議使用一個簡單的數組（Array）來代替Vector或ArrayList。尤爲是對於執行效率要求高的程序更應如此。由於使用數組 (Array)避免了同步、額外的方法調用和沒必要要的從新分配空間的操做。

相互區別

Vector和ArrayList

1，vector是線程同步的，因此它也是線程安全的，而arraylist是線程非同步的，是不安全的。若是不考慮到線程的安全因素，通常用

arraylist效率比較高。

2，若是集合中的元素的數目大於目前集合數組的長度時，vector增加率爲目前數組長度的100%,而arraylist增加率爲目前數組長度

的50%.如過在集合中使用數據量比較大的數據，用vector有必定的優點。

3，若是查找一個指定位置的數據，vector和arraylist使用的時間是相同的，都是0(1),這個時候使用vector和arraylist均可以。而

若是移動一個指定位置的數據花費的時間爲0(n-i)n爲總長度，這個時候就應該考慮到使用linklist,由於它移動一個指定位置的數據

所花費的時間爲0(1),而查詢一個指定位置的數據時花費的時間爲0(i)。

ArrayList 和Vector是採用數組方式存儲數據，此數組元素數大於實際存儲的數據以便增長和插入元素，都容許直接序號索引元素，可是插入數據要設計到數組元素移動等內存操做，因此索引數據快插入數據慢，Vector因爲使用了synchronized方法（線程安全）因此性能上比ArrayList要差，LinkedList使用雙向鏈表實現存儲，按序號索引數據須要進行向前或向後遍歷，可是插入數據時只須要記錄本項的先後項便可，因此插入數度較快！

arraylist和linkedlist

1.ArrayList是實現了基於動態數組的數據結構，LinkedList基於鏈表的數據結構。

2.對於隨機訪問get和set，ArrayList以爲優於LinkedList，由於LinkedList要移動指針。

3.對於新增和刪除操做add和remove，LinedList比較佔優點，由於ArrayList要移動數據。

這一點要看實際狀況的。若只對單條數據插入或刪除，ArrayList的速度反而優於LinkedList。但如果批量隨機的插入刪除數據，LinkedList的速度大大優於ArrayList. 由於ArrayList每插入一條數據，要移動插入點及以後的全部數據。

HashSet和TreeSet

public class TreeSet<E> extends AbstractSet<E>
    implements NavigableSet<E>, Cloneable, java.io.Serializable
    
public interface NavigableSet<E> extends SortedSet<E> 
public interface SortedSet<E> extends Set<E>

TreeSet類型是J2SE中惟一可實現自動排序的類型

HashSet與TreeSet都是基於Set接口的實現類。其中TreeSet是Set的子接口SortedSet的實現類。Set接口及其子接口、實現類的結構以下所示：

|——SortedSet接口——TreeSet實現類
Set接口——|——HashSet實現類
|——LinkedHashSet實現類

HashSet實現Set 接口，由哈希表（其實是一個 HashMap 實例）支持。它不保證集合的迭代順序；特別是它不保證該順序恆久不變。此類容許使用 null 元素。HashSet爲基本操做提供了穩定性能，這些基本操做包括 add、remove、contains 和 size，假定哈希函數將這些元素正確地分佈在桶中。對此集合進行迭代所需的時間與 HashSet 實例的大小（元素的數量）和底層 HashMap 實例（桶的數量）的「容量」的和成比例。所以，若是迭代性能很重要，則不要將初始容量設置得過高（或將加載因子設置得過低）。HashSet的實現是不一樣步的。若是多個線程同時訪問一個集合，而其中至少一個線程修改了該集合，那麼它必須保持外部同步。

LinkedHashSet

public class LinkedHashSet<E>
    extends HashSet<E>
    implements Set<E>, Cloneable, java.io.Serializable

構造方法

public LinkedHashSet() {
    super(16, .75f, true);
}
/**
 * Constructs a new, empty linked hash set.  (This package private
 * constructor is only used by LinkedHashSet.) The backing
 * HashMap instance is a LinkedHashMap with the specified initial
 * capacity and the specified load factor.
 *
 * @param      initialCapacity   the initial capacity of the hash map
 * @param      loadFactor        the load factor of the hash map
 * @param      dummy             ignored (distinguishes this
 *             constructor from other int, float constructor.)
 * @throws     IllegalArgumentException if the initial capacity is less
 *             than zero, or if the load factor is nonpositive
 */
HashSet(int initialCapacity, float loadFactor, boolean dummy) {
    map = new LinkedHashMap<>(initialCapacity, loadFactor);
}

Map

Map接口

　　請注意，Map沒有繼承Collection接口，Map提供key到value的映射。一個Map中不能包含相同的key，每一個key只能映射一個 value。Map接口提供3種集合的視圖，Map的內容能夠被看成一組key集合，一組value集合，或者一組key-value映射。

Hashtable類

　　Hashtable繼承Map接口，實現一個key-value映射的哈希表。任何非空（non-null）的對象均可做爲key或者value。

　　添加數據使用put(key, value)，取出數據使用get(key)，這兩個基本操做的時間開銷爲常數。

Hashtable經過initial capacity和load factor兩個參數調整性能。一般缺省的load factor 0.75較好地實現了時間和空間的均衡。增大load factor能夠節省空間但相應的查找時間將增大，這會影響像get和put這樣的操做。

使用Hashtable的簡單示例以下，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，好比2，用相應的key：

　　　　Integer n = (Integer)numbers.get(「two」);

　　　　System.out.println(「two = 」 + n);

　　因爲做爲key的對象將經過計算其散列函數來肯定與之對應的value的位置，所以任何做爲key的對象都必須實現hashCode和equals方法。hashCode和equals方法繼承自根類Object，若是你用自定義的類看成key的話，要至關當心，按照散列函數的定義，若是兩個對象相同，即obj1.equals(obj2)=true，則它們的hashCode必須相同，但若是兩個對象不一樣，則它們的hashCode不必定不一樣，如果兩個不一樣對象的hashCode相同，這種現象稱爲衝突，衝突會致使操做哈希表的時間開銷增大，因此儘可能定義好的hashCode()方法，能加快哈希表的操做。

　　若是相同的對象有不一樣的hashCode，對哈希表的操做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，只須要牢記一條：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相似，不一樣之處在於HashMap是非同步的，而且容許null，即null value和null key。，可是將HashMap視爲Collection時（values()方法可返回Collection），其迭代子操做時間開銷和HashMap 的容量成比例。所以，若是迭代操做的性能至關重要的話，不要將HashMap的初始化容量設得太高，或者load factor太低。

WeakHashMap類

　　WeakHashMap是一種改進的HashMap，它對key實行「弱引用」，若是一個key再也不被外部所引用，那麼該key能夠被GC回收。

HashMap與TreeMap

一、HashMap經過hashcode對其內容進行快速查找，而TreeMap中全部的元素都保持着某種固定的順序，若是你須要獲得一個有序的結果你就應該使用TreeMap（HashMap中元素的排列順序是不固定的）。

HashMap中元素的排列順序是不固定的）。

二、 HashMap經過hashcode對其內容進行快速查找，而TreeMap中全部的元素都保持着某種固定的順序，若是你須要獲得一個有序的結果你就應該使用TreeMap（HashMap中元素的排列順序是不固定的）。集合框架」提供兩種常規的Map實現：HashMap和TreeMap (TreeMap實現SortedMap接口)。

三、在Map 中插入、刪除和定位元素，HashMap 是最好的選擇。但若是您要按天然順序或自定義順序遍歷鍵，那麼TreeMap會更好。使用HashMap要求添加的鍵類明肯定義了hashCode()和 equals()的實現。　　這個TreeMap沒有調優選項，由於該樹總處於平衡狀態。

結過研究，在原做者的基礎上我還發現了一點，二樹map同樣，但順序不同，致使hashCode()不同。

一樣作測試：

在hashMap中，一樣的值的map,順序不一樣，equals時，false;

而在treeMap中，一樣的值的map,順序不一樣,equals時，true，說明，treeMap在equals()時是整理了順序了的。

hashtable與hashmap

一.歷史緣由:Hashtable是基於陳舊的Dictionary類的，HashMap是Java 1.2引進的Map接口的一個實現

二.同步性:Hashtable是線程安全的，也就是說是同步的，而HashMap是線程序不安全的，不是同步的

三.值：只有HashMap可讓你將空值做爲一個表的條目的key或value

補充一些知識點：