Java入門記(四)：容器關係的梳理（上）——Collection

　　Java.util中的容器又被稱爲Java Collections framework。雖然被稱爲框架，可是其主要目的是提供一組接口儘可能簡單並且相同、而且儘可能高效、以便於開發人員按照場景選用，而不是本身重複實現的類。容器按接口能夠分爲兩大類：Collection和Map。本文主要關注Collection，之後會將Map這塊也進行研究。

1、Collection及子類/接口容器繼承關係

　　先從Collection提及。能夠看出：

1.Collection接口並非一個根接口，它的超級接口是Iterator，須要提供其遍歷、移除元素(可選操做)的能力。

2.Collection接口定義了基本的容器操做方法。

　　除此之外，

1.remove()和contains()判斷元素是否相等的依據是相似的。

對於remove(Object o)，若Collection中包含的元素e，知足(o==null ? e==null : o.equals(e))，移除其中的一個；

對於contains(Object o)，若Collection中包含至少一個或多個元素e，知足(o==null ? e==null : o.equals(e))，則返回true。

2.AbstractCollection抽象類實現了一部分Collection接口的方法，主要是基於iterator實現的，如remove()、toArray()，以及利用自己的屬性size實現的size()。若是讀一下源碼，能夠發現雖然AbstractCollection利用add()實現了addAll()，可是add()自己的實現是直接拋UnsupportedOperationException異常的。實際上add()是一種「可選操做」，目的是延遲到須要時再實現。

2、List

　　瞭解了通用的Collection後，接下來，看看三大類的Collection:List、Set、Queue。首先從List提及。List中的元素是有序的，於是咱們能夠按序訪問List中的元素，以及訪問指定位置上的元素。對於「按順序遍歷訪問元素」的需求，使用List的超級接口Iterator便可以作到，這也是對應抽象類AbstractList中的實現；而訪問特定位置的元素（也即按索引訪問）、元素的增長和刪除涉及到了List中各個元素的鏈接關係，並無在AbstractList中提供。

2.1 ArrayList

　　ArrayList是最經常使用的List的實現，其包裝了一個用於存放元素的數組，並用size屬性來標識該容器裏的元素個數，而非這個被包裝數組的大小。若是對數組有所瞭解，很容易理解ArrayList的元素是怎麼編排的，各個數組的元素如何隨機訪問（經過索引）、元素之間如何跳轉（索引增減）。閱讀源碼能夠發現，這個數組用transient關鍵字修飾，表示其不會被序列化。固然，ArrayList的元素最終仍是會被序列化的，要否則，這個最經常使用的List之一，不能持久化、不能網絡傳輸，簡直不可想象。在序列化/反序列化時，會調用ArrayList的writeObject()/readObject()方法，將該ArrayList中的元素（即0...size-1下標對應的元素）寫入流/從流讀出。這樣作的好處是，只保存/傳輸有實際意義的元素，最大限度的節約了存儲、傳輸和處理的開銷。

2.1.1 序列化的探討

　　提到序列化，有個問題是，ArrayList的writeObject()/readObject()是如何被調用的？它們並不屬於ArrayList的任何一個接口，甚至是Serializabe！其實，序列化是ObjectOutputStream對象調用自身的writeObject()方法時，由它經過反射檢查入參——也即待序列化的對象——是否有writeObject()方法，並進行調用，這和接口無關，確實很古怪（能夠參考《Java編程思想·第四版（中文）》第581頁）。

2.1.2 刪除元素

　　ArrayList在刪除元素時，不只要將其餘元素前移來佔用被移除的元素並縮小size，對於原來位置的元素，如(size-1)位置的元素前移至(size-2)位，那麼(size-1)位置是要設置爲null的，這樣才能讓垃圾回收機制發揮做用。這種數據的用法在Java中比較常見，好比利用Vector實現的Stack，也是這樣。而在C語言中，一種利用數組實現的棧是能夠在pop()後只修改當前棧對應的數組下標而不做清理的。

2.1.3 調整大小

　　利用Arrays.copyOf()方法作數組的調整。

2.2 Vector和Stack(不建議繼續使用)

　　雖然Vector通過了改造，但這麼作只是爲了兼容Java2以前的代碼，不建議繼續使用。

　　Java1.6的源碼中，和ArrayList相似，Vector底層也是數組，可是這個數組並無transient修飾，其序列化要低效很多。

　　Stack是繼承Vector實現的，而不是包裝一個Vector。這並非一個很好的設計，若是要使用棧行爲，應該使用LinkedList。Java1.6源碼中，Stack每次擴大都須要new新的數組並做拷貝，效率並很差。

　　新代碼中誤用這兩個容器的緣由，多是以前在C++中使用過STL的Vector和Stack。我剛接觸Java時，總覺得這兩個類在Java中的地位相似C++。

2.3 抽象類AbstractSequentialList

　　知足「連續訪問」數據存儲而非「隨機訪問」需求的List，對於指定index元素的操做，都須要利用抽象方法listIterator()得到一個迭代器。其惟一實現是LinkedList，對其的討論放在Queue這部分。

3、Set

　　Set接口模仿了數學概念上的set，各個元素不要求重複。除了這一點，幾乎和Collection自己是同樣的。

　　Set接口有一個直接子接口SortedSet，該接口要求Set中全部元素有序。和經過Iterable接口依次訪問全部元素的「有序」不一樣，這個「有序」要求Set包括一個比較器，能夠判斷兩個元素的大於、小於或等於關係。此外，該接口提供了訪問第一個元素、訪問最後一個元素、訪問必定範圍內元素的方法。SortedSet的子接口NavigableSet進一步擴展了這個系列的方法，提供了諸如返回大於/小於元素E的第一個元素的方法。

　　因爲Set的操做與底層的實現關聯性很強，AbstractSet中實現的方法有限，在Java1.6中只有equals()、hashCode()、removeAll()進行了實現。

3.1 HashSet和LinkedHashSet

　　HashSet之因此命名中包含了「Hash」，是由於其底層是用HashMap實現的。Map有個特色，各個Key是惟一的，這和Set的元素惟一很相似。對HashSet的元素E進行的操做，其實是對其包裝的HashMap中對應的<E,PRESENT>的操做，其中PRESENT是一個private static final的Object。所以，HashSet的原理，放到HashMap那一塊來研究。

　　HashSet有一個很特別的構造方法：HashSet(int initialCapacity, float loadFactor, boolean dummy)。這個方法第三個參數的惟一做用是，與其餘兩個參數的構造方法相區分。使用這個構造方法，在底層使用的是HashMap的子類LinkedHashMap。而LinkedHashSet，正是使用了這個構造方法，在內部建立並封裝了一個LinkedHashMap而非通常的HashMap。

　　假如先有HashSet，後有HashMap，用HashSet實現HashMap，是不是一個好的主意？這也放在HashMap處研究。

　　HashSet的包裝的HashMap也使用transient關鍵字修飾，採用了和ArrayList同樣的序列化策略。

3.2 TreeSet

　　TreeSet是SortedSet的一個實現，也是其子接口NavigableSet的實現。

　　與HashSet/LinkedHashSet相似，TreeSet底層封裝了一個NavigableMap，一樣使用transient修飾，以及序列化策略。

4、Queue

　　Queue和List有兩個區別：前者有「隊頭」的概念，取元素、移除元素、均爲對「隊頭」的操做（一般但不老是FIFO，即先進先出），然後者只有在插入時須要保證在尾部進行；前者對元素的一些同一種操做提供了兩種方法，在特定狀況下拋異常/返回特殊值——add()/offer()、remove()/poll()、element()/peek()。不難想到，在所謂的兩種方法中，拋異常的方法徹底能夠經過包裝不拋異常的方法來實現，這也是AbstractQueue所作的。

　　Deque接口繼承了Queue，可是和AbstractQueue沒有關係。Deque同時提供了在隊頭和隊尾進行插入和刪除的操做。

4.1 PriorityQueue

　　PriorityQueue用於存放含有優先級的元素，插入的對象必須能夠比較。該類內部一樣封裝了一個數組。與其抽象父類AbstractQueue不一樣，PriorityQueue的offer()方法在插入null時會拋空指針異常——null是沒法與其餘元素比較一般意義下的優先級的；此外，add()方法是直接包裝了offer()，沒有附加的行爲。

　　因爲其內部的數據結構是數組的緣故，不少操做都須要先把元素經過indexOf()轉化成對應的數組下標，再進行進一步的操做，如remove()、removeEq()、contains()等。其實這個數組保持優先級隊列的方式，是採用堆(Heap)的方式，具體能夠參考任意一本算法書籍，好比《算法導論》等，這裏就不展開解釋了。和堆的特性有關，在尋找指定元素時，必須從頭到尾遍歷，而不能使用二分查找。

4.2 LinkedList

　　頗有趣的是，LinkedList既是List，也是Queue(Deque)，其緣由是它是雙向的，內部的元素(Entry)同時保留了上一個和下一個元素的引用。使用頭部的引用header，取其previous，就能夠得到尾部的引用。經過這一轉換，能夠很容易實現Deque所須要的行爲。也正所以，能夠支持棧的行爲，天生就有push()和pop()方法。簡而言之，是Java中的雙向鏈表，其支持的操做和普通的雙向鏈表同樣。

　　和數組不一樣，根據下標查找特定元素時，只能遍歷地獲取了，於是在隨機訪問時效率不如ArrayList。儘管如此，做者仍是儘量地利用了LinkedList的特性作了點優化，儘可能減小了訪問次數：

    private Entry<E> entry(int index) {
        if (index < 0 || index >= size)
            throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+
                                                ", Size: "+size);
        Entry<E> e = header;
        if (index < (size >> 1)) {
            for (int i = 0; i <= index; i++)
                e = e.next;
        } else {
            for (int i = size; i > index; i--)
                e = e.previous;
        }
        return e;
    }

　　LinkedList對首部和尾部的插入都支持，但繼承自Collection接口的add()方法是在尾部進行插入。

5、一些瑣碎的話題

5.1 線程安全

　　ArrayList、HashSet/LinkedHashSet、PriorityQueue、LinkedList是線程不安全的，可使用synchronized關鍵字，或者相似下面的方法解決:

 List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList(...));

5.2 clone()

　　ArrayList、LinkedList、HashMap/LinkedHashMap、TreeSet的clone()是淺拷貝，元素的引用和拷貝前相同；PriorityQueue的clone()繼承自Object。

5.3 foreach

　　在for(Element e : collection)中：

　　collection == null，直接拋異常；

　　容器內容爲空，即剛剛被new出來，裏面什麼也沒有，直接跳過循環；

　　容器中放了null（若是容許的話），則將這個null取出並賦值給e，執行循環中的語句。

5.4 null對象

　　List能夠放無限多個，set只能放一個。EnumSet、PriorityQueue是不能放null的。這個null也在計數中。因此放進去null用foreach取出來時須要判空。

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