Java 容器的简单总结

发表于

Java实用类库提供了一套相当完整的容器来帮助我们解决很多具体问题。因为我本身是一名Android开发者，包括我在内很多安卓开发，最拿手的就是ListView(RecycleView)+BaseAdapter+ArrayList三剑客, 平时接触使用的容器也只有ArrayList和HashMap。导致对于整个Java容器体系的掌握和使用还停留在很浅的层面。省不足而思改进，那么跟着我来总结一下Java容器的相关知识吧。

java容器类的继承结构

Java容器类库定义了两个不同概念的容器，Collection和Map

  • Collection 一个独立元素的序列，这些元素都服从一条或多条规则。List必须按照插入的顺序保存元素。Set不能有重复元素。Queue按照排队规则来确定对象产生的顺序。

java容器继承结构--Collection

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
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);
    ... //省略了其他方法
}

可以看到，java定义了Collection接口和内部集合的基本操作方法，Collection默认可以进行对集合末端添加元素，删除指定元素等操作。List、Set、Queue接口都继承自Collection并定义了各自不同的方法。

  • Map 一组成对的”键值对”对象，允许我们使用键来查找值。

java容器继承结构--Map

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
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内部接口Entry<K,V>对应着Map的键值对。

具体介绍

迭代器

先介绍一下迭代器。迭代器本身也是一种设计模式，设计的初衷在于：容器的实现由很多种，而我们想对容器进行遍历操作的话，首先不应该关心容器实现的细节，其次遍历操作应该是轻量级的。迭代器统一了对容器的访问方式，同时创建它的代价很小。值得注意的是，Iterator只能单向移动。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
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());
        }
}

通过容器的iterator()方法拿到容器的迭代器

迭代器的next()获取下一个元素

hasNext()判断是否还有元素

remove()删除指定元素

ListIterator

ListIterator是Iterator的扩展之内，用于各种List类访问，支持双向移动。

Collection

List

List 承诺可以将元素维护在特定的序列中.List接口在Collection的基础上添加了大量的方法，使得可以再List中间插入和移除元素。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
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);
    ...
}

java容器继承结构--List

有两种类型的List，ArrayList和LinkedList

List类型 优点 缺点 底层实现
ArrayList 随机访问元素较快 中间元素的插入和删除较慢 数组
LinkedList 中间元素的插入和删除，顺序访问的优化 随机访问元素较慢 双向链表

Set

Set不保存重复的元素，通常用于快速查找元素。值得一提的是，Set具有与Collection完全一样的接口，没有任何额外的功能。
存入的元素必须定义equals()方法

Set类型 使用场景 底层实现
HashSet 快速查找，元素必须定义hashCode() 链表
TreeSet 保持次序，元素必须实现Comparable接口 红-黑树结构
LinkedHashSet 维护次序的HashSet, 元素必须定义hashCode() 链表

java容器继承结构--Set

Queue

除了并发应用，Queue仅有的两个实现是LinkedList和PriorityQueue, 其中LinkedList同时实现了List, Deque接口。它们的差异在于排序行为而不是性能。

1
2
3
4
5
6
7
8
public interface Queue<E> extends Collection<E> {
    boolean add(E e);
    boolean offer(E e);
    E remove();
    E poll();
    E element();
    E peek();
}

java容器继承结构--Queue

Map

Map类型 使用场景 底层实现
HashMap 快速查询 散列表
LinkedHashMap 迭代遍历具有顺序(插入顺序 or 最近最少使用) 链表
TreeMap 具有排序，唯一可以返回子树的Map(subMap()) 红-黑树结构
WeakHashMap 弱键映射，映射之外无引用的键，可以被垃圾回收 散列表
ConcurrentHashMap 线程安全的Map 链表
IdentityHashMap 使用==代替equals()对键进行排序，专位解决特殊问题 链表

java容器继承结构--Map

我们可以手工调整HashMap来调整性能，涉及到如容量、初始容量、尺寸、负载因子等概念。感兴趣的话可以看一些相关资料。

一些建议

  • 不要使用过时的容器 如Vector Enumeration Hashtable Stack(没错，这就是java最初的糟糕设计，实际中使用栈的话推荐LinkedList)

进阶·并发容器

这里不会讨论的太细致的实现，仅仅简单介绍一下基础知识，感兴趣的可以阅读《Java 并发编程的艺术》这本书。

CopyOnWriteArrayList与Copy-On-Write策略

本节引用自并发编程网-聊聊并发-Java中的Copy-On-Write容器

Copy-On-Write简称COW，是一种用于程序设计中的优化策略。其基本思路是，从一开始大家都在共享同一个内容，当某个人想要修改这个内容的时候，才会真正把内容Copy出去形成一个新的内容然后再改，这是一种延时懒惰策略。从JDK1.5开始Java并发包里提供了两个使用CopyOnWrite机制实现的并发容器,它们是CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet。CopyOnWrite容器非常有用，可以在非常多的并发场景中使用到。

CopyOnWrite容器即写时复制的容器。通俗的理解是当我们往一个容器添加元素的时候，不直接往当前容器添加，而是先将当前容器进行Copy，复制出一个新的容器，然后新的容器里添加元素，添加完元素之后，再将原容器的引用指向新的容器。这样做的好处是我们可以对CopyOnWrite容器进行并发的读，而不需要加锁，因为当前容器不会添加任何元素。所以CopyOnWrite容器也是一种读写分离的思想，读和写不同的容器。

CopyOnWrite容器只能保证数据的最终一致性，不能保证数据的实时一致性。所以如果你希望写入的的数据，马上能读到，请不要使用CopyOnWrite容器。

ConcurrentLinkedQueue

在并发编程中，有时候需要使用线程安全的队列或列表。通常实现线程安全有两种方式，一种是使用阻塞算法，一种是使用非阻塞算法。非阻塞算法实现基础为循环CAS(Compare and Swipe 比较和交换)。

ConcurrentLinkedQueue技术上的实现与CopyOnWriteArrayList与Copy类似，但是容器只有部分内容而不是整个容器可以被复制和修改。ConcurrentLinkedQueue有head节点和tail节点组成，每个节点由节点元素(item)和指向下一个结点(next)的引用组成。节点之间通过next关联起来，形成一张链表结构的队列。

ConcurrentHashMap与锁分段技术

ConcurrentHashMap是线程安全且高效的HashMap。多线程环境下，使用非线程安全的HashMap会导致死循环，而如文章中建议的那样，HashTable这种过时容器效率低下(使用synchronized来保证线程安全)。ConcurrentHashMap使用锁分段技术，大大提高了并发使用的效率。

锁分段技术: 假设容器有多把锁，每一把锁用于锁容器其中一部分数据，当多线程访问容器不同数据段数据时，线程间就不存在锁竞争，从而提高并发访问效率。

阻塞队列

JDK7 提供了7个阻塞队列，实现原理都是基于生产-消费模式的等待通知机制。

阻塞队列类型 特点
ArrayBlockingQueue 由数组结构组成的有界阻塞队列
LinkedBlockingQueue 由链表结构组成的有界阻塞队列
PriorityBlockingQueue 支持优先级排序的无界阻塞队列
DelayQueue 使用优先级队列实现的无界阻塞队列
SynchronousQueue 不储存元素的阻塞队列
LinkedTransferQueue 由链表结构组成的无界阻塞队列
LinkedBlockingQueue 由链表结构组成的双向阻塞队列

感谢阅读~