Java集合

Java集合

前言

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一、接口继承关系和实现

集合类存放于Java.util包中,主要有3种:set(集)、list(列表包含Queue)和map(映射)

  1. Collection: Collection是集合List、Set、Queue的最基本的接口
  2. Iterator:迭代器,可以通过迭代器遍历集合中的数据
  3. Map:是映射表的基础接口

二、List

Java的List是非常常用的数据类型。List是有序的Collection。JavaList一共有三个实现类,分别是:ArrayListVectorLinkedList

2.1 ArrayList(数组)

ArrayList是最常用的List实现类,内部是通过数组来实现的,它允许对元素进行快速随机访问。数组的缺点是每隔元素之间不能有间隙,当数组大小不满足时需要增加存储能力,就要将已有数组的数据复制到新的存储空间中。当从ArrayList的中间位置插入或者删除元素时,需要对数组进行复制、移动,代价比较高。因此,它适合随机查找和遍历,不适合插入和删除

2.2 Vector(数组实现、线程同步)

Vector和ArrayList一样,也是通过数组实现的,不通的是它支持线程的同步,即某一时刻只有一个线程能够写Vector,可以避免多线程同时写而引起的不一致性,但实现同步需要很高的花费,因此访问速度比ArrayList慢。

2.3 LinkList(链表)

LinkedList是用链表结构存储数据的,很适合数据的动态插入和删除,随机访问和遍历速度比较慢。另外,他还提供了List接口中没有定义的方法,专门用于操作表头和表尾元素,可以当做堆栈队列双向队列使用。

三、Set

Set注重独一无二的性质,该体系集合用于存储无序(存入和取出的顺序不一定相同),值不能重复。对象的相等性本质是对象的hashCode值java是依赖对象的内存地址计算出来的)判断的,如果想要让两个不同的对象视为相等,必须重写Object的hashCode方法和equals方法。

3.1 HashSet(Hash表)

哈希表存放的是哈希值。HashSet存储元素的顺序并不是按照存入时的顺序(和List显然不同)而是按照哈希值来存的所以取数据也是按照哈希值来取的。元素的哈希值是通过元素的hashcode方法来获取的,HashSet首先判断两个元素的哈希值,如果哈希值一样,接着会比较equals方法,如果equals结果为true,HashSet就视为同一个元素,如果equals为false,就不是同一个元素。

哈希值相同equals为false的元素如何存储呢?就是在同样的哈希值下顺延(可以认为哈希值相同的元素放在同一个哈希桶中)。也就是哈希一样的存一列。如下图1表示hashCode值不相同的情况;图2表示hashCode值相同但是equals不同的情况:

HashSet通过hashCode值来确定元素在内存中的位置。一个hashCode位置上可以存储多个元素

3.2 TreeSet(二叉树)

  1. TreeSet()是使用二叉树的原理对新add()的对象按照指定的顺序来排序(升序、降序),每增加一个车对象都会进行排序,将对象插入的二叉树指定的位置
  2. Integer和String对象都可以进行默认的TreeSet排序,而自定义的对象是不可以的,自定义的类必须实现*Comparable*接口,并且覆写相应的compareTo()函数,才可以正常使用
  3. 在覆写compare()函数时,要返回响应的值才使TreeSet按照一定的规则来排序
  4. 比较对象指定对象的顺序。如果该对象小于等于大于指定对象,则分别返回负整数、正整数

有两种方法可以对自定义对象进行排序:

  1. 重写compareTo()方法

    java 复制代码
    @Data
    @Accessors(chain = true)
    public class Article implements Comparable<Article> {
    
        private static final long serialVersionUID = 1L;
    
        private int id;
        
        private String userId;
        
         /**
         * 重写compareTo方法,实现排序
         */
        @Override
        public int compareTo(Article article) {
            return Integer.compare(this.id,article.getId());
        }
    }
  2. 使用匿名函数对TreeSet实现:

    java 复制代码
    //自定义排序规则(逆序,通过交换p1、p2的位置来实现顺序或者逆序)
    TreeSet<Article> set = new TreeSet<>((p1,p2)->Integer.compare(p2.getId(), p1.getId()));

3.3 LinkHashSet(HashSet+LinkedHashMap)

对于LinkHashSet而言,它继承于HashSet、又基于LinkedHashMap来实现的。LinkHashSet底层使用LinkedHashMap来保存所有元素,它继承于HashSet,其所有的方法操作上又于HashSet相同,因此,LinkedHasSet的实现上非常简单,只提供了四个构造方法,并通过传递一个标识参数,调用父类的构造器,底层构造一个LinkedHashMap来实现,在相关操作上与父类HashSet相同,直接调用父类HashSet的方法即可。

四、Map

4.1 HashMap(数组+链表+红黑树)

HashMap根据 键的hashCode存储数据,大多数情况下,可以直接定位到它的值,因而具有很快的访问速度,但是遍历顺序却是不确定的。HashMap最多只允许一条记录的键为null,允许多条记录的值为null。HashMap非线程安全,即任一时刻可以有多个线程同时写HashMap。可能会导致数据的不一致。如果需要满足线程安全,可以使用Collection是的synchronizedMap方法使HashMap具有线程安全的能力,或者使用ConcurrentHashMap。我们用下图来介绍HashMap的结构。

4.1.1 Java7实现

大方向上,HashMap里面是一个数组,然后数组中每个元素是一个单向链表。上图中,每个绿色的实体是嵌套类Entry的实例,Entry包含四个属性:keyvaluehash值、和用于单向链表的next

  1. capacity:当前数组容量,始终保持 2^n^,可以扩容,扩容后数组大小为当前的2倍
  2. loadFactor:负载因子,默认为0.75
  3. threshold:扩容的阈值,等于 capacity * loadFactory
4.1.2 Java8实现

Java8对HashMap进行了一些修改,最大的不同就是利用了红黑树,所以其由 数组+链表+红黑树组成。

根据Java7 HashMap的介绍,我们知道,查找的时候,根据hash值我们能够快速定位到数组的具体下标,但是之后的话,需要顺着链表一个个比较下去才能找到我们需要的,时间复杂度取决于链表长度,为O(n)。 为了降低这部分开销,在Java8中,当链表中的元素超过8个以后,会将链表转换为红黑树,在这些位置进行查找的时候,可以降低时间复杂度为 O(logN)。

4.2 ConcurrentHashMap

4.2.1 Segment段

ConcurrentHashMap和HashMap的思路是差不多的,但是因为它支持并发操作,所以要复杂一些。整个ConcurrentHashMap由一个个Segment组成,segment代表"部分"或"一段"的意思。所以很多地方都将其描述成分段锁。下文中,使用"槽"来代替一个segment。

4.2.2 线程安全(Segment继承ReentrantLock加锁)

简单理解就是,ConcurrentHashMap是一个Segment数组Segment砼工程继承ReentrantLock来进行加锁,所以每次需要加锁的操作锁住的是一个Segment,这样只要保证每个Segment是线程安全的,也就实现了线程安全。

4.2.3 并行度(默认16)

concurrencyLevel: 并行级别、并发数、Segment数,怎么翻译不重要,理解他。默认是16,也就是说,ConcurrentHashMap有16个Segments,所以理论上,这个时候,最多可同时支持16个线程并发写,只要他们的操作分别分布在不通的Segment上。这个值可以在初始化的时候设置为其他,但是一旦初始化以后,它是不可以扩容的。再具体到每个Segment内部,其实每个Segment很像之前介绍的HashMap,不过它要保证线程安全,所以处理起来要麻烦些。

4.2.4 Java8实现(引入了红黑树)

Java8对ConcurrentHashMap进行了比较大的改动,java8也引入了红黑树。

4.3 HashTable(线程安全)

HashTable是遗留类,很多映射的常用功能与HashMap类似,不通的是HashTable继承自Dictionary类,并且是线程安全的,任一时间只有一个线程能写HashTable,并发性不如ConcurrentHashMap,因为ConcurrentHashMap引入了分段锁。HashTable不建议在新代码中使用,不需要线程安全的场合可以用HashMap替换,需要线程安全的场合可以用ConcurrentHashMap替换。

4.4 TreeMap(可排序)

TreeMap实现了SortedMap接口,能够把它保存的记录根据键排序,默认是按键值的升序排列,也可以指定排序的比较器,当用Iterator遍历TreeMap时,得到的记录是排过序的。

如果使用排序的映射,建议使用TreeMap;在使用TreeMap时,key必须实现 Comparable接口或者在构造TreeMap时传入自定义 的Comparable,否则在运行时会抛出java.lang.ClassCastException类型的异常.

4.5 LinkHashMap(记录插入顺序)

LinkHashMap是HashMap的一个子类,保存了记录的插入顺序,在用Iterator遍历LinkHashMap时,先得到的记录肯定是先插入的,也可以在构造时带参数,按照访问持续排列。

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