Java集合框架概述:Collection(List, Set, Queue)和Map

最近在做异或网络编码,认为选择什么数据包进行编码可以归结为集合论问题。所以以此为契机,较为全面了解下Java集合类,便于自己编程。本文大量摘抄博文《Java集合类详解》,按自己需要查阅的方法整理,后续再按自己的理解重写。

1. Java集合框架

1.1 概述

Java集合框架(Java collections framework, JCF)是一组实现集合数据结构的类和接口。Collection接口是一组允许重复的对象,有3个接口继承了该接口。值得注意的是,Map接口不由Collection派生。如下[1]

  • Set,不允许重复,使用自己内部的一个排列机制
  • List,允许重复,以元素安插的次序来放置元素,不会重新排列
  • Queue,先进先出
  • Map,一组成对的键-值对象(key-value pairs)。不能有重复的key,但value可以相同

Java集合框架示意图如下(实际远比下图复杂,不过下图层次感很好),图片来源于这里,我在此基础上加了几个框框。

collections-framework-overview

Collection接口相关的UML详细类图如下:

Collection_class_diagram

1.2 Collection

所有实现Collection接口的类都必须提供两个标准的构造函数:其一,无参数的构造函数用于创建一个空的Collection;其二,有一个 Collection参数的构造函数用于创建一个新的Collection,这个新的Collection与传入的Collection有相同的元素。后一种构造函数允许用户复制一个Collection。

如何遍历Collection中的每一个元素?不论Collection的实际类型如何,它都支持一个iterator()的方法,该方法返回一个迭代子,使用该迭代子即可逐一访问Collection中每一个元素。典型的用法如下:

Iterator it = collection.iterator();   // 获得一个迭代子
while(it.hasNext()) {
          Object obj = it.next(); // 得到下一个元素  
}

2. List

List是有序,元素可重复的Collection,实现List接口的常用类有LinkedList,ArrayList,Vector和Stack。List接口相关的部分UML类图如下:

List

操作过程中,LinkedList,ArrayList,Vector鲜明特点如下:

ArrayList:数组实现,查询快,增删慢,线程不安全,轻量级;
LinkedList:链表实现,增删快,查询慢
Vector:数组实现,线程安全,重量级

注:博文《Java集合类详解》后面回复“线程同步,不等于线程安全”,要批判的理解。

List是有序的Collection,使用此接口能够精确的控制每个元素插入的位置。用户能够使用索引(元素在List中的位置,类似于数组下标)来访问List中的元素,这类似于Java的数组。

除了具有Collection接口必备的iterator()方法外,List还提供一个listIterator()方法,返回一个 ListIterator接口,和标准的Iterator接口相比,ListIterator多了一些add()之类的方法,允许添加,删除,设定元素, 还能向前或向后遍历。

2.1 ArrayList

ArrayList实现了可变大小的数组。它允许所有元素,包括null。ArrayList没有同步。size,isEmpty,get,set方法运行时间为常数。但是add方法开销为分摊的常数,添加n个元素需要O(n)的时间。其他的方法运行时间为线性。

每个ArrayList实例都有一个容量(Capacity),即用于存储元素的数组的大小。这个容量可随着不断添加新元素而自动增加,但是增长算法 并没有定义。当需要插入大量元素时,在插入前可以调用ensureCapacity方法来增加ArrayList的容量以提高插入效率。和LinkedList一样,ArrayList也是非同步的(unsynchronized)。

2.2 Vector

Vector非常类似ArrayList,但是Vector是同步的。由Vector创建的Iterator,虽然和 ArrayList创建的Iterator是同一接口,但是,因为Vector是同步的,当一个Iterator被创建而且正在被使用,另一个线程改变了 Vector的状态(例如,添加或删除了一些元素),这时调用Iterator的方法时将抛出 ConcurrentModificationException,因此必须捕获该异常。

2.2.1 Stack

Stack继承自Vector,实现一个后进先出的堆栈。Stack提供5个额外的方法使得Vector得以被当作堆栈使用。基本的push和pop 方法,还有peek方法得到栈顶的元素,empty方法测试堆栈是否为空,search方法检测一个元素在堆栈中的位置。Stack刚创建后是空栈。

2.3 LinkedList

LinkedList实现了List接口,允许null元素。此外LinkedList提供额外的get,remove,insert方法在 LinkedList的首部或尾部。这些操作使LinkedList可被用作堆栈(stack),队列(queue)或双向队列(deque)。(注:待斟酌)

注意LinkedList没有同步方法。如果多个线程同时访问一个List,则必须自己实现访问同步。一种解决方法是在创建List时构造一个同步的List:

List list = Collections.synchronizedList(new LinkedList(…));

2.4 详细ULM类图

ArrayList Vector LinkedList

3. Queue

Queue接口定义了队列数据结构,元素是有序的(按插入顺序),先进先出。Queue接口相关的部分UML类图如下:

Queue

3.1 ArrayDeque与LinkedList

DeQueue(Double-ended queue)继承了Queue接口,创建双向队列,灵活性更强,可以前向或后向迭代,在队头队尾均可心插入或删除元素。

LinkedList实现了Dequeue和List接口,用链表实现。ArrayDeque用数组实现。

3.2 PriorityQueue

PriorityQueue不同于Queue在于其排序是按优先级而不是先进先出。优先级取决于compareTo方法或者构造函数(a method given in the constructor)。

3.3 详细UML类图

ArrayDeque PriorityQueue

4. Set

Set接口无序(意味着不能通过下标读取)并且不允许重复元素。与Set接口相关的部分UML类图如下:

Set

Set是一种不包含重复的元素的Collection,即任意的两个元素e1和e2都有e1.equals(e2)=false,Set最多有一个null元素。很明显,Set的构造函数有一个约束条件,传入的Collection参数不能包含重复的元素。

请注意:必须小心操作可变对象(Mutable Object)。如果一个Set中的可变元素改变了自身状态导致Object.equals(Object)=true将导致一些问题。

4.1 HashSet与LinkedHashSet

使用HashMap存储hashes和elements以避免存在重复元素。LinkedHashSet继承HashSet,使用双向链表按插入的顺序将元素链起来。

4.2 TreeSet

SortedSet是有序的,排序取决于compareTo方法或SortedSet构造函数(?a method provided to the constructor of the sorted set)。可以取得SortedSet首末元素(first, last)以及子集(subSet)。

NavigableSet是继承了SortedSet,增加了一些方法,如floor(), ceiling(), lower(), and higher(),除此之外,还提供降序的迭代器(descending iterator)。

TreeSet实现了NavigableSet接口,使用红黑树(red-black tree,由TreeMap实现)确保没有重复元素。

4.3 详细UML类图

HashSet LinkedHashSet TreeSet

5. Map

Map不由Collection接口派生,与Map接口相关的部分UML类图如下:

Map

请注意,Map没有继承Collection接口,Map提供key到value的映射。一个Map中不能包含相同的key,每个key只能映射一个 value。Map接口提供3种集合的视图,Map的内容可以被当作一组key集合,一组value集合,或者一组key-value映射。

5.1 HashMap

HashMap和Hashtable类似,不同之处在于HashMap是非同步的,并且允许null,即null value和null key。,但是将HashMap视为Collection时(values()方法可返回Collection),其迭代子操作时间开销和HashMap 的容量成比例。因此,如果迭代操作的性能相当重要的话,不要将HashMap的初始化容量设得过高,或者load factor过低。

LinkedHashMap: 此实现与 HashMap 的不同之处在于,后者维护着一个运行于所有条目的双重链接列表。存储的数据是有序的。

5.2 TreeMap

TreeMap:对key排好序的Map; key 就是TreeSet, value对应每个key; key要实现Comparable接口或TreeMap有自己的构造器;

5.3 Hashtable

Hashtable继承Map接口,实现一个key-value映射的哈希表。任何非空(non-null)的对象都可作为key或者value。

添加数据使用put(key, value),取出数据使用get(key),这两个基本操作的时间开销为常数。Hashtable通过initial capacity和load factor两个参数调整性能。通常缺省的load factor 0.75较好地实现了时间和空间的均衡。增大load factor可以节省空间但相应的查找时间将增大,这会影响像get和put这样的操作。使用Hashtable的简单示例如下,将1,2,3放到Hashtable中,他们的key分别是”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));

要取出一个数,比如2,用相应的key:

Integer n = (Integer)numbers.get(“two”);
System.out.println(“two = ” + n);

由于作为key的对象将通过计算其散列函数来确定与之对应的value的位置,因此任何作为key的对象都必须实现hashCode和equals方 法。hashCode和equals方法继承自根类Object,如果你用自定义的类当作key的话,要相当小心,按照散列函数的定义,如果两个对象相 同,即obj1.equals(obj2)=true,则它们的hashCode必须相同,但如果两个对象不同,则它们的hashCode不一定不同,如 果两个不同对象的hashCode相同,这种现象称为冲突,冲突会导致操作哈希表的时间开销增大,所以尽量定义好的hashCode()方法,能加快哈希 表的操作。

如果相同的对象有不同的hashCode,对哈希表的操作会出现意想不到的结果(期待的get方法返回null),要避免这种问题,只需要牢记一条:要同时复写equals方法和hashCode方法,而不要只写其中一个。Hashtable是同步的。

5.3.1 Properties

key和value都是String类型,用来读配置文件。

5.4 详细UML类图

HashMap TreeMap Hashtable

6. 如何选择Collection

StackOverflow有个回答并给了流程图,很有借鉴意义,摘抄如下(原文在这里):

This flow chart does not try and cover things like synchronized access, thread safety etc or the legacy collections, but it does cover the 3 standard Sets, 3 standard Maps and 2 standard Lists.

what-Java-Collection-should-I-use

参考资料:
[1]维基百科词条:Java集合框架
[2]博文《Java集合类详解
[3]博文《Java 集合类图
[4]维基百科词条:Java collections framework

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