java集合(附源码分析)

image-20210809213215885

集合分类

image-20210809215102346

Collection接口(单列集合)

  • List接口: 特性 继承collection集合,排列有序且可重复
    • LinkedList 接口实现类:链表实现,适用于插入删除型链表,线程不安全
    • ArrayList接口实现类:数组实现,适用于随机访问型链表,线程不安全
    • Vector接口实现类:数组实现,线程安全。
  • **Set接口:**特性 继承collection集合,排列无序且不可重复
    • HashSet接口实现类:适用hash表(数组)存储元素。
      • LinkedHashSet 继承HashSet,实现Set,链表维护元素的插入次序。
    • TreeSet接口实现类:二叉树实现,元素有序。

Map接口(双列集合)

  • HashTable 接口实现类,线程安全。
  • HashMap 接口实现类,线程不安全。
    • LinkedHashMap 双向链表和哈希实现类。
    • WeakHashMap
  • TreeMap 红黑树对所有的key进行排序。
  • IdentifyHashMap

总结

Map和List、Set的区别

  • Map是接口,而List和Set是Collection的子接口
  • Map是双列集合,而List和set是单列集合

List和set的区别

  • List 是排列有序且可重复得集合,而且可以通过索引查询集合中的元素。
  • Set 排列无序且不可重复,没有索引,当然,Set中的实现类LinkedHshSet是通过链表维护着插入顺序的。

List集合

有序列表,允许存放重复元素;其实现类由三个:

  • ArrayList:数组实现,查询快,增删慢,轻量级;(线程不安全)
  • LinkedList:双向循环链表实现,增删快,查询慢 (线程不安全)
  • Vector:数组实现,重量级 (线程安全、使用少)

List的四种遍历方式

public class ListTest {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list=new ArrayList<>();
        list.add(1);
        list.add(2);
        list.add(3);
        //方法一,使用for循环(这种方法Set集合不适用)
        for (int i = 0; i <list.size() ; i++) {
            System.out.println(list.get(i));
        }

        //方法二:增强for循环
        for(Integer elem:list){
            System.out.println(elem);
        }

        //方法三:迭代器实现遍历(第一种和第二种的底层也是使用迭代器实现
        Iterator<Integer> integerIterator=list.iterator();
        while (integerIterator.hasNext()){
            Integer elem=integerIterator.next();
            System.out.println(elem);
        }
        //方法四:Lambda表达式+流式编程
        list.forEach((elem)->System.out.println(elem));
        //使用方法引用输出
        list.forEach(System.out::println);
    }
}
复制代码

ArrayList自动扩充机制

源码:

private void add(E e, Object[] elementData, int s) {
    // 判断元素个数是否等于当前容量
    if (s == elementData.length)
        elementData = grow();
    elementData[s] = e;
    size = s + 1;
}
private Object[] grow() {
    return grow(size + 1);
}

private Object[] grow(int minCapacity) {
    // 获取老容量,也就是当前容量
    int oldCapacity = elementData.length;
    // 如果当前容量大于0 或者 数组不是DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
    if (oldCapacity > 0 || elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        int newCapacity = ArraysSupport.newLength(oldCapacity,
                minCapacity - oldCapacity, /* minimum growth */
                oldCapacity >> 1           /* preferred growth */);
        return elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    // 如果 数组是DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA(容量等于0的话,只剩这一种情况了)
    } else {
        return elementData = new Object[Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity)];
    }
}
复制代码

扩容可分为两种情况:

  第一种情况,当ArrayList的容量为0时,此时添加元素的话,需要扩容,三种构造方法创建的ArrayList在扩容时略有不同:

    1.无参构造,创建ArrayList后容量为0,添加第一个元素后,容量变为10,此后若需要扩容,则正常扩容。

    2.传容量构造,当参数为0时,创建ArrayList后容量为0,添加第一个元素后,容量为1,此时ArrayList是满的,下次添加元素时需正常扩容。

    3.传列表构造,当列表为空时,创建ArrayList后容量为0,添加第一个元素后,容量为1,此时ArrayList是满的,下次添加元素时需正常扩容。

  第二种情况,当ArrayList的容量大于0,并且ArrayList是满的时,此时添加元素的话,进行正常扩容,每次扩容到原来的1.5倍。

ArrayList的线程安全解决方案

  1. 用victor代替;List list = new Vector<>();

  2. 用Colections:List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList);

  3. List list = CopyOnWriteArrayList<>();

LinkedList

采用双向链表实现,可以用来实现stack,queue,双向队列,但是哟实现的时候需要遵循实现结构的特性,比如实现栈的时候不能提供不是栈顶的元素出栈的方法,实现对列的时候需要遵循先进先出原则。

vector

和ArrayList类似,但是其实重量级组件,同时也是线程安全的,适用于高并发的场景。

List常用方法

  • void add(int index, Object element) :添加对象element到位置index上

  • boolean addAll(int index, Collection collection) :在index位置后添加容器collection中所有的元素

  • Object get(int index) :取出下标为index的位置的元素

  • int indexOf(Object element) :查找对象element 在List中第一次出现的位置

  • int lastIndexOf(Object element) :查找对象element 在List中最后出现的位置

  • Object remove(int index) :删除index位置上的元素

  • ListIterator listIterator(int startIndex) :返回一个ListIterator 跌代器,开始位置为startIndex

  • List subList(int fromIndex, int toIndex) :返回一个子列表List ,元素存放为从 fromIndex 到toIndex之前的一个元素

Set集合

继承collection接口,一个无序集合,存放唯一元素(允许存放空值)。

Set集合的实现类可说是基于Map集合去写的。通过内部封装Map集合来实现的比如HashSet内部封装了HashMap。

Set集合的数据库不能重复(== 或 eqauls)的元素

Set集合的常用实现类有 HashSet TreeSet

HashSet

底层实现是对hashmap的封装;内部不能存放相同的对象(通过hashcode和equal实现,实际运用过程中需要自己重写这两个方法);

  • 根据hashcode方法计算对象的hashcode。
  • hashcode就决定了该元素存放在数据结构中的什么位置,然后再查看这个位置上是否存在元素,如果没有就直接放入,如果有对象存储就需要调用equal方法判断两个对象是否相同,如果相同就拒绝添加,否则就进行存储,也就实现了对象的不重复。

所以,hashcode相同的,也不见得两个对象就相等,而两个对象相等,hashcode一定相等;但我们最好让每个对象的hashcode和equal方法判断的结果一致,也就是说只要hashcode相等,我们就尽量让equal方法也判断为true;

重写hashcode:

@Override
public void hashCode() {
  final int prime = 31;
  int result = 1;
  result = prime * result + ((age==null)? 0 : age.hashCode());
    //通过迭代的方式进行
  result = prime * result + ((age==null)? 0 : name.hashCode());
    return result;
}
复制代码

LinkedHashSet

跟hashset 的区别是底层通过链表维护了添加元素的顺序,每个元素都保存了下一个元素的所在位置,这样在遍历的时候就能找到对应的元素。

TreeSet

TreeSet基于TreeMap实现,TreeMap本质就是红黑树。所以TreeSet其实于是基于红黑树的。

TreeSet有个特点,插入无序内部有序。

插入数据实现Comparable接口,通过compareTo方法去比较大小,或者在实l例化TreeSet的时候自定义排序Comparator方法。内部的int compare(T o1, T o2)比较对象大小。

如果插入数据即不实现Commparable或在插入的时候也不指定排序方式Comparator那么就会报错

Set集合的遍历

1.增强for循环(底层依赖迭代器实现)

for (Object object : set) {
            System.out.println(object);
        }
复制代码

2.迭代器

 Iterator iterator = set.iterator();
        while(iterator.hasNext()) {
            System.out.println(iterator.next());
        }
复制代码

3.jdk8新特性

set.forEach((x) -> System.out.println(x));
//或者
set.forEach((x)->System.out::println);
复制代码

Map集合

HashMap

HashMap是由数组+链表+红黑树(JDK1.8后增加了红黑树部分)实现的。

image-20210812164412408

Node<k,v>用来实现数组及链表的数据结构:

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
         final int hash;  //保存节点的hash值
         final K key;  //保存节点的key值
         V value;  //保存节点的value值
        //next是指向链表结构下当前节点的next节点,红黑树TreeNode节点中也用到next
         Node<K,V> next;  
    ......
}
复制代码

TreeNode<K,V>用来实现红黑树相关的存储结构:

static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {
         TreeNode<K,V> parent;  //存储当前节点的父节点
         TreeNode<K,V> left;  //存储当前节点的左孩子  	            TreeNode<K,V> right;  //存储当前节点的右孩子
         TreeNode<K,V> prev;    //存储当前节点的前一个节点
         boolean red;  //存储当前节点的颜色(红、黑)         TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
            super(hash, key, val, next);
}

复制代码

hashmap中常量:

//hashmap未指定初始容量的默认容量
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // 16
//hashmap的最大容量
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; //1073741824
//hashmap默认的装载因子,当超过容量*因子时,进行扩容
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
//指定何时解决hash冲突,链表转换为红黑树
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
//何时解决hash冲突的,红黑树转变为链表
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
//当想要将解决hash冲突的链表转变为红黑树时,需要判断下此时数组的容量,若是由于数组容量太小而导致hash冲突,则不进行链表转为红黑树的操作,而是利用resize()函数对HashMap扩容
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
复制代码

hashmap的扩容:

final Node<K,V>[] resize() {
      int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
      int newCap;
      if (oldCap > 0) {
          if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {//略}
          else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                   oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
      }
  }
复制代码
  1. hashmap刚创建的时候,table是null,size是0,是为了节约空间,当添加第一个元素后,table容量就调整为16.

  2. 当元素个数大于阈值(容量*容量因子)就会进行扩容,扩容后的大小为原来的两倍,减少元素调整的个数

  3. 在jdk1.8中当每个链表的长度大于8,并且数组元素个数大于64时,会调整成红黑树,目的是提高元素的查找效率。当链表的长度小于6时,调整成链表。

  4. 在jdk1.8之前链表元素的插入是头插,jdk1.8之后链表元素的插入是尾插。

hashmap的put方法:

public V put(K key, V value) {
      return putVal(hash(key), key, value, false, true);
  }
复制代码

put方法把key和value传给了putVal,同时还传入了一个hash(Key)所返回的值(产生hashcode)

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,boolean evict) {
      Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
      if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
          n = (tab = resize()).length;
      if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
          tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
      else{
          //略
      }
  }
复制代码

第一个if是判断table是否为空,刚创建HashMap对象时,此时tab和table都为空,满足条件,执行内部代码,这条代码其实就是把resize()所返回的结果赋给tab,n就是tab的长度,resize顾名思义就是重新调整大小。

final Node<K,V>[] resize() {
        Node<K,V>[] oldTab = table;
        int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
        int oldThr = threshold;
        int newCap, newThr = 0;
        if (oldCap > 0) {
            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
                threshold = Integer.MAX_VALUE;
                return oldTab;
            }
            else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                     oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
                newThr = oldThr << 1; // double threshold
        }
        else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
            newCap = oldThr;
        else {               // zero initial threshold signifies using defaults
            newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
            newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
        }
复制代码

首先将table和他的长度赋给oldTab和oldCap,其值自然等于空和0;就直接进入了最后一个else,就把将容量设置成了默认的16

TreeMap

与HashMap相比,TreeMap是一个能比较元素大小的Map集合,其本质就是红黑树,会对传入的key进行大小排序。其中,可以使用元素的自然顺序,也可以使用集合中自定义的比较器来进行排序;所以这里就不详细说了。