Java 容器相關知識全面總結

Java實用類庫提供了一套至關完整的容器來幫助咱們解決不少具體問題。由於我自己是一名Android開發者，包括我在內不少安卓開發，最拿手的就是ListView(RecycleView)+BaseAdapter+ArrayList三劍客, 平時接觸使用的容器也只有ArrayList和HashMap。致使對於整個Java容器體系的掌握和使用還停留在很淺的層面。省不足而思改進，那麼跟着我來總結一下Java容器的相關知識吧。

結構

• java容器類的繼承結構

• 具體介紹

  • List

  • Set

  • Queue

  • 迭代器

  • Collection

  • Map

• 一些建議

• 進階·併發容器

  • CopyOnWriteArrayList與Copy-On-Write策略

  • ConcurrentLinkedQueue

  • ConcurrentHashMap與鎖分段技術

  • 阻塞隊列

java容器類的繼承結構

Java容器類庫定義了兩個不一樣概念的容器，Collection和Map

• Collection 一個獨立元素的序列，這些元素都服從一條或多條規則。List必須按照插入的順序保存元素。Set不能有重複元素。Queue按照排隊規則來肯定對象產生的順序。

(文中Jdk源碼版本無特殊說明均爲jdk1.8.0_101)

    public interface Collection<E> extends Iterable<E> {        int size();        boolean isEmpty();        boolean contains(Object o);        Iterator<E> iterator();

        Object[] toArray();

        <T> T[] toArray(T[] a);        boolean add(E e);        boolean remove(Object o);        boolean containsAll(java.util.Collection<?> c);        boolean addAll(java.util.Collection<? extends E> c);        boolean removeAll(java.util.Collection<?> c);

        ... //省略了其餘方法
    }

能夠看到，java定義了Collection接口和內部集合的基本操做方法，Collection默承認以進行對集合末端添加元素，刪除指定元素等操做。List、Set、Queue接口都繼承自Collection並定義了各自不一樣的方法。

• Map 一組成對的」鍵值對」對象，容許咱們使用鍵來查找值。

    public interface Map<K,V> {        int size();        boolean containsKey(Object key);        boolean containsValue(Object value);        V get(Object key);        V put(K key, V value);        V remove(Object key);        void putAll(java.util.Map<? extends K, ? extends V> m);        void clear();        Set<K> keySet();        Collection<V> values();

        Set<java.util.Map.Entry<K, V>> entrySet();        interface Entry<K,V> {            K getKey();            V getValue();            V setValue(V value);            boolean equals(Object o);            int hashCode();

            ...
        }        boolean equals(Object o);        int hashCode();

    }

Map內部接口Entry<K,V>對應着Map的鍵值對。

具體介紹

迭代器

先介紹一下迭代器。迭代器自己也是一種設計模式，設計的初衷在於：容器的實現由不少種，而咱們想對容器進行遍歷操做的話，首先不該該關心容器實現的細節，其次遍歷操做應該是輕量級的。迭代器統一了對容器的訪問方式，同時建立它的代價很小。值得注意的是，Iterator只能單向移動。

    public interface Iterator<E> {        boolean hasNext();        E next();        default void remove() {            throw new UnsupportedOperationException("remove");
        }        default void forEachRemaining(Consumer<? super E> action) {
            Objects.requireNonNull(action);            while (hasNext())
                action.accept(next());
            }
    }

經過容器的iterator()方法拿到容器的迭代器
迭代器的next()獲取下一個元素
hasNext()判斷是否還有元素
remove()刪除指定元素

ListIterator

ListIterator是Iterator的擴展以內，用於各類List類訪問，支持雙向移動。

Collection

List

List 承諾能夠將元素維護在特定的序列中.List接口在Collection的基礎上添加了大量的方法，使得能夠再List中間插入和移除元素。

    public interface List<E> extends Collection<E> {

        ...        boolean add(E e);        boolean remove(Object o);        boolean containsAll(Collection<?> c);        boolean addAll(Collection<? extends E> c);        boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c);        boolean removeAll(Collection<?> c);        boolean retainAll(Collection<?> c);        E get(int index);        E set(int index, E element);        void add(int index, E element);        E remove(int index);        int indexOf(Object o);        int lastIndexOf(Object o);

        java.util.List<E> subList(int fromIndex, int toIndex);

        ...

    }

有兩種類型的List，ArrayList和LinkedList

List類型	優勢	缺點	底層實現
ArrayList	隨機訪問元素較快	中間元素的插入和刪除較慢	數組
LinkedList	中間元素的插入和刪除，順序訪問的優化	隨機訪問元素較慢	雙向鏈表

Set

Set不保存重複的元素，一般用於快速查找元素。值得一提的是，Set具備與Collection徹底同樣的接口，沒有任何額外的功能。 存入的元素必須定義equals()方法

Set類型	使用場景	底層實現
HashSet	快速查找，元素必須定義hashCode()	鏈表
TreeSet	保持次序，元素必須實現Comparable接口	紅-黑樹結構
LinkedHashSet	維護次序的HashSet, 元素必須定義hashCode()	鏈表

Queue

除了併發應用，Queue僅有的兩個實現是LinkedList和PriorityQueue, 其中LinkedList同時實現了List, Deque接口。它們的差別在於排序行爲而不是性能。

    public interface Queue<E> extends Collection<E> {        boolean add(E e);        boolean offer(E e);        E remove();        E poll();        E element();        E peek();
    }

Map

Map類型	使用場景	底層實現
HashMap	快速查詢	散列表
LinkedHashMap	迭代遍歷具備順序(插入順序 or 最近最少使用)	鏈表
TreeMap	具備排序，惟一能夠返回子樹的Map(subMap())	紅-黑樹結構
WeakHashMap	弱鍵映射，映射以外無引用的鍵，能夠被垃圾回收	散列表
ConcurrentHashMap	線程安全的Map	鏈表
IdentityHashMap	使用==代替equals()對鍵進行排序，專位解決特殊問題	鏈表

咱們能夠手工調整HashMap來調整性能，涉及到如容量、初始容量、尺寸、負載因子等概念。感興趣的話能夠看一些相關資料。

一些建議

• 不要使用過期的容器 如Vector Enumeration Hashtable Stack(沒錯，這就是java最初的糟糕設計，實際中使用棧的話推薦LinkedList)

進階·併發容器

這裏不會討論的太細緻的實現，僅僅簡單介紹一下基礎知識，感興趣的能夠閱讀《Java 併發編程的藝術》這本書。

CopyOnWriteArrayList與Copy-On-Write策略

Copy-On-Write簡稱COW，是一種用於程序設計中的優化策略。其基本思路是，從一開始你們都在共享同一個內容，當某我的想要修改這個內容的時候，纔會真正把內容Copy出去造成一個新的內容而後再改，這是一種延時懶惰策略。從JDK1.5開始Java併發包裏提供了兩個使用CopyOnWrite機制實現的併發容器,它們是CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet。CopyOnWrite容器很是有用，能夠在很是多的併發場景中使用到。

CopyOnWrite容器即寫時複製的容器。通俗的理解是當咱們往一個容器添加元素的時候，不直接往當前容器添加，而是先將當前容器進行Copy，複製出一個新的容器，而後新的容器裏添加元素，添加完元素以後，再將原容器的引用指向新的容器。這樣作的好處是咱們能夠對CopyOnWrite容器進行併發的讀，而不須要加鎖，由於當前容器不會添加任何元素。因此CopyOnWrite容器也是一種讀寫分離的思想，讀和寫不一樣的容器。

CopyOnWrite容器只能保證數據的最終一致性，不能保證數據的實時一致性。因此若是你但願寫入的的數據，立刻能讀到，請不要使用CopyOnWrite容器。

ConcurrentLinkedQueue

在併發編程中，有時候須要使用線程安全的隊列或列表。一般實現線程安全有兩種方式，一種是使用阻塞算法，一種是使用非阻塞算法。非阻塞算法實現基礎爲循環CAS(Compare and Swipe 比較和交換)。

ConcurrentLinkedQueue技術上的實現與CopyOnWriteArrayList與Copy相似，可是容器只有部份內容而不是整個容器能夠被複制和修改。ConcurrentLinkedQueue有head節點和tail節點組成，每一個節點由節點元素(item)和指向下一個結點(next)的引用組成。節點之間經過next關聯起來，造成一張鏈表結構的隊列。

ConcurrentHashMap與鎖分段技術

ConcurrentHashMap是線程安全且高效的HashMap。多線程環境下，使用非線程安全的HashMap會致使死循環，而如文章中建議的那樣，HashTable這種過期容器效率低下(使用synchronized來保證線程安全)。ConcurrentHashMap使用鎖分段技術，大大提升了併發使用的效率。

鎖分段技術: 假設容器有多把鎖，每一把鎖用於鎖容器其中一部分數據，當多線程訪問容器不一樣數據段數據時，線程間就不存在鎖競爭，從而提升併發訪問效率。

阻塞隊列

JDK7 提供了7個阻塞隊列，實現原理都是基於生產-消費模式的等待通知機制。

阻塞隊列類型	特色
ArrayBlockingQueue	由數組結構組成的有界阻塞隊列
LinkedBlockingQueue	由鏈表結構組成的有界阻塞隊列
PriorityBlockingQueue	支持優先級排序的×××阻塞隊列
DelayQueue	使用優先級隊列實現的×××阻塞隊列
SynchronousQueue	不儲存元素的阻塞隊列
LinkedTransferQueue	由鏈表結構組成的×××阻塞隊列
LinkedBlockingQueue	由鏈表結構組成的雙向阻塞隊列

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