Java集合之整體結構
一、Java中集合
Java中集合類是Java編程中使用最頻繁、最方便的類。集合類作為容器類可以存儲任何類型的數(shù)據(jù)，當然也可以結合泛型存儲指定的類型（不過泛型僅僅在編譯期有效，運行時是會被擦除的）。集合類中存儲的僅僅是對象的引用，并不存儲對象本身。集合類的容量可以在運行期間進行動態(tài)擴展，并且還提供很多很方便的方法，如求集合的并集、交集等。
二、集合類結構
Java中的集合包含多種數(shù)據(jù)結構，如鏈表、隊列、哈希表等。從類的繼承結構來說，可以分為兩大類，一類是繼承自Collection接口，這類集合包含List、Set和Queue等集合類。另一類是繼承自Map接口，這主要包含了哈希表相關的集合類。下面我們看一下這兩大類的繼承結構圖：
1、List、Set和Queue
圖中的綠色的虛線代表實現(xiàn)，綠色實線代表接口之間的繼承，藍色實線代表類之間的繼承。
(1)List：我們用的比較多List包括ArrayList和LinkedList，這兩者的區(qū)別也很明顯，從其名稱上就可以看出。ArrayList的底層的通過數(shù)組實現(xiàn)，所以其隨機訪問的速度比較快，但是對于需要頻繁的增刪的情況，效率就比較低了。而對于LinkedList，底層通過鏈表來實現(xiàn)，所以增刪操作比較容易完成，但是對于隨機訪問的效率比較低。
我們先看下兩者的插入效率：
package com.paddx.test.collection;
import java.util.ArrayList;
import java.util.LinkedList;
public class ListTest {
public static void main(String[] args) {
for(int i=;i<;i++){
}
long start = System.currentTimeMillis();
LinkedList<Integer> linkedList = new LinkedList<Integer>();
for(int i=;i<;i++){
linkedList.add(,i);
}
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println(end - start);
ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();
for(int i=;i<;i++){
arrayList.add(,i);
}
System.out.println(System.currentTimeMillis() - end);
}
}
下面是本地執(zhí)行的結果：
23
1227
可以看出，在這種情況下，LinkedList的插入效率遠遠高于ArrayList，當然這是一種比較極端的情況。我們再來比較一下兩者隨機訪問的效率：
package com.paddx.test.collection;
import java.util.ArrayList;
import java.util.LinkedList;
import java.util.Random;
public class ListTest {
public static void main(String[] args) {
Random random = new Random();
for(int i=;i<;i++){
}
LinkedList<Integer> linkedList = new LinkedList<Integer>();
for(int i=;i<;i++){
linkedList.add(i);
}
ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();
for(int i=;i<;i++){
arrayList.add(i);
}
long start = System.currentTimeMillis();
for(int i=;i<;i++){
int j = random.nextInt(i+);
int k = linkedList.get(j);
}
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println(end - start);
for(int i=;i<;i++){
int j = random.nextInt(i+);
int k = arrayList.get(j);
}
System.out.println(System.currentTimeMillis() - end);
}
}
下面是我本機執(zhí)行的結果：
5277
6
很明顯可以看出，ArrayList的隨機訪問效率比LinkedList高出好幾個數(shù)量級。通過這兩段代碼，我們應該能夠比較清楚的知道LinkedList和ArrayList的區(qū)別和適應的場景。至于Vector，它是ArrayList的線程安全版本，而Stack則對應棧數(shù)據(jù)結構，這兩者用的比較少，這里就不舉例了。
(2)Queue：一般可以直接使用LinkedList完成，從上述類圖也可以看出，LinkedList繼承自Deque，所以LinkedList具有雙端隊列的功能。PriorityQueue的特點是為每個元素提供一個優(yōu)先級，優(yōu)先級高的元素會優(yōu)先出隊列。
(3)Set：Set與List的主要區(qū)別是Set是不允許元素重復的，而List則可以允許元素重復的。判斷元素的重復需要根據(jù)對象的hash方法和equals方法來決定。這也是我們通常要為集合中的元素類重寫hashCode方法和equals方法的原因。我們還是通過一個例子來看一下Set和List的區(qū)別，以及hashcode方法和equals方法的作用：
package com.paddx.test.collection;
import java.util.ArrayList;
import java.util.HashSet;
import java.util.Set;
public class SetTest {
public static void main(String[] args) {
Person p1 = new Person("lxp",10);
Person p2 = new Person("lxp",10);
Person p3 = new Person("lxp",20);
ArrayList<Person> list = new ArrayList<Person>();
list.add(p1);
System.out.println("---------");
list.add(p2);
System.out.println("---------");
list.add(p3);
System.out.println("List size=" + list.size());
System.out.println("----分割線-----");
Set<Person> set = new HashSet<Person>();
set.add(p1);
System.out.println("---------");
set.add(p2);
System.out.println("---------");
set.add(p3);
System.out.println("Set size="+set.size());
}
static class Person{
private String name;
private int age;
public Person(String name, int age) {
this.name = name;
this.age = age;
}
@Override
public boolean equals(Object o) {
System.out.println("Call equals();name="+name);
if (this == o) return true;
if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false;
Person person = (Person) o;
return name.equals(person.name);
}
@Override
public int hashCode() {
System.out.println("Call hashCode(),age="+age);
return age;
}
}
}
上述代碼的執(zhí)行結果如下：
---------
---------
List size=3
----分割線-----
Call hashCode(),age=10
---------
Call hashCode(),age=10
Call equals();name=lxp
---------
Call hashCode(),age=20
Set size=2
從結果看出，元素加入List的時候，不執(zhí)行額外的操作，并且可以重復。而加入Set之前需要先執(zhí)行hashCode方法，如果返回的值在集合中已存在，則要繼續(xù)執(zhí)行equals方法，如果equals方法返回的結果也為真，則證明該元素已經(jīng)存在，會將新的元素覆蓋老的元素，如果返回hashCode值不同，則直接加入集合。這里記住一點，對于集合中元素，hashCode值不同的元素一定不相等，但是不相等的元素，hashCode值可能相同。
HashSet和LinkedHashSet的區(qū)別在于后者可以保證元素插入集合的元素順序與輸出順序保持一致。而TresSet的區(qū)別在于其排序是按照Comparator來進行排序的，默認情況下按照字符的自然順序進行升序排列。
(4)Iterable：從這個圖里面可以看到Collection類繼承自Iterable，該接口的作用是提供元素遍歷的功能，也就是說所有的集合類（除Map相關的類）都提供元素遍歷的功能。Iterable里面包含了Iterator的迭代器，其源碼如下，大家如果熟悉迭代器模式的話，應該很容易理解。
public interface Iterator<E> {
boolean hasNext();
E next();
void remove();
}
2、Map：
Map類型的集合最大的優(yōu)點在于其查找效率比較高，理想情況下可以實現(xiàn)O(1)的時間復雜度。Map中最常用的是HashMap，LinkedHashMap與HashMap的區(qū)別在于前者能夠保證插入集合的元素順序與輸出順序一致。這兩者與TreeMap的區(qū)別在于TreeMap是根據(jù)鍵值進行排序的，當然其底層的實現(xiàn)也有本質的區(qū)別，如HashMap底層是一個哈希表，而TreeMap的底層數(shù)據(jù)結構是一棵樹。我們現(xiàn)在看下TreeMap與LinkedHashMap的區(qū)別：
package com.paddx.test.collection;
import java.util.Iterator;
import java.util.LinkedHashMap;
import java.util.Map;
import java.util.TreeMap;
public class MapTest {
public static void main(String[] args) {
Map<String,String> treeMap = new TreeMap<String,String>();
Map<String,String> linkedMap = new LinkedHashMap<String, String>();
treeMap.put("b",null);
treeMap.put("c",null);
treeMap.put("a",null);
for (Iterator<String> iter = treeMap.keySet().iterator();iter.hasNext();){
System.out.println("TreeMap="+iter.next());
}
System.out.println("----------分割線---------");
linkedMap.put("b",null);
linkedMap.put("c",null);
linkedMap.put("a",null);
for (Iterator<String> iter = linkedMap.keySet().iterator();iter.hasNext();){
System.out.println("LinkedHashMap="+iter.next());
}
}
}
運行上述代碼，執(zhí)行結果如下：
TreeMap=a
TreeMap=b
TreeMap=c
----------分割線---------
LinkedHashMap=b
LinkedHashMap=c
LinkedHashMap=a
從運行結果可以很明顯的看出這TreeMap和LinkedHashMap的區(qū)別，前者是按字符串排序進行輸出的，而后者是根據(jù)插入順序進行輸出的。細心的讀者可以發(fā)現(xiàn)，HashMap與TreeMap的區(qū)別，與之前提到的HashSet與TreeSet的區(qū)別是一致的，在后續(xù)進行源碼分析的時候，我們可以看到HashSet和TreeSet本質上分別是通過HashMap和TreeMap來實現(xiàn)的，所以它們的區(qū)別自然也是相同的。HashTable現(xiàn)在已經(jīng)很少使用了，與HashMap的主要區(qū)別是HashTable是線程安全的，不過由于其效率比較低，所以通常使用HashMap，在多線程環(huán)境下，通常用CurrentHashMap來代替。
三、總結
本文只是從整體上介紹了Java集合框架及其繼承關系。除了上述類，集合還提供Collections和Arrays兩個工具類，此外，集合中排序跟Comparable和Comparator緊密相關。在之后的文章中將對上述提的類在JDK中實現(xiàn)源碼進行詳細分析。
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