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Java容器(List、Set、Map)知识点快速复习手册(上)

时间:2020-12-14 13:32:17      阅读:4      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

标签:工程   性能   mat   efault   笔试   list()   serial   下标   复杂   

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前言

本文快速回顾了Java中容器的知识点,用作面试复习,事半功倍。

上篇:主要为容器概览,容器中用到的设计模式,List源码

中篇:Map源码

下篇:Set源码,容器总结

其它知识点复习手册

  • Java基础知识点面试手册(上)

  • Java基础知识点面试手册(下)

概览

容器主要包括 Collection 和 Map 两种,Collection 又包含了 List、Set 以及 Queue。

Collection

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数组和集合的区别:

  • 长度
  • 数组的长度固定
  • 集合的长度可变
  • 内容
  • 数组存储的是同一种类型的元素
  • 集合可以存储不同类型的元素(但是一般我们不这样干..)
  • 元素的数据类型
  • 数组可以存储基本数据类型,也可以存储引用类型
  • 集合只能存储引用类型(若存储的是简单的int,它会自动装箱成Integer)

1. Set(元素不可重复)

  • HashSet:基于HashMap实现,支持快速查找,但不支持有序性操作。

TreeSet:基于红黑树实现,支持有序性操作,但是查找效率不如 HashSet,HashSet 查找时间复杂度为 O(1),TreeSet 则为 O(logN);

LinkedHashSet:具有 HashSet 的查找效率,且内部使用链表维护元素的插入顺序。

2. List(有序(存储顺序和取出顺序一致),可重复)

  • ArrayList:基于动态数组实现,支持随机访问;

  • Vector:和 ArrayList 类似,但它是线程安全的;

  • LinkedList:基于双向链表实现,只能顺序访问,但是可以快速地在链表中间插入和删除元素。不仅如此,LinkedList 还可以用作栈、队列和双向队列。

3. Queue

  • LinkedList:可以用它来支持双向队列;

  • PriorityQueue:基于堆结构实现,可以用它来实现优先队列。

Map

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  • HashMap:基于哈希实现;

  • HashTable:和 HashMap 类似,但它是线程安全的,这意味着同一时刻多个线程可以同时写入 HashTable 并且不会导致数据不一致。它是遗留类,不应该去使用它。

  • ConcurrentHashMap:支持线程安全,并且 ConcurrentHashMap 的效率会更高,因为 ConcurrentHashMap 引入了分段锁。

  • LinkedHashMap:使用链表来维护元素的顺序,顺序为插入顺序或者最近最少使用(LRU)顺序。

  • TreeMap:基于红黑树实现。

Fail-Fast 机制和 Fail-Safe 机制

https://blog.csdn.net/Kato_op/article/details/80356618

Fail-Fast

Fail-fast 机制是 java 集合(Collection)中的一种错误机制。 当多个线程对同一个集合的内容进行操作时,就可能会产生 fail-fast 事件。

  • 迭代器在遍历时直接访问集合中的内容,并且在遍历过程中使用一个modCount变量,

  • 集合中在被遍历期间如果内容发生变化(增删改),就会改变modCount的值,

  • 每当迭代器使用 hashNext()/next()遍历下一个元素之前,都会执行checkForComodification()方法检测,modCount变量和expectedmodCount值是否相等,

  • 如果相等就返回遍历,否则抛出异常,终止遍历.

注意,如果集合发生变化时修改modCount值, 刚好有设置为了expectedmodCount值, 则异常不会抛出.(比如删除了数据,再添加一条数据)

所以,一般来说,存在非同步的并发修改时,不可能作出任何坚决的保证。

迭代器的快速失败行为应该仅用于检测程序错误, 而不是用他来同步。

java.util包下的集合类都是Fail-Fast机制的,不能在多线程下发生并发修改(迭代过程中被修改).

Fail-Safe

采用安全失败(Fail-Safe)机制的集合容器,在遍历时不是直接在集合内容上访问的,而是先copy原有集合内容,在拷贝的集合上进行遍历。

原理:

由于迭代时是对原集合的拷贝的值进行遍历,所以在遍历过程中对原集合所作的修改并不能被迭代器检测到,所以不会出发ConcurrentModificationException

缺点:

迭代器并不能访问到修改后的内容(简单来说就是, 迭代器遍历的是开始遍历那一刻拿到的集合拷贝,在遍历期间原集合发生的修改迭代器是不知道的)

使用场景:

java.util.concurrent包下的容器都是Fail-Safe的,可以在多线程下并发使用,并发修改

容器中使用的设计模式

迭代器模式

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  • Iterator它是在ArrayList等集合的内部类的方式实现
    Collection 实现了 Iterable 接口,其中的 iterator() 方法能够产生一个 Iterator 对象,通过这个对象就可以迭代遍历 Collection 中的元素。

从 JDK 1.5 之后可以使用 foreach 方法来遍历实现了 Iterable 接口的聚合对象。

List<String> list =newArrayList<>();
list.add("a");
list.add("b");
for(String item : list){ 
    System.out.println(item);
}

适配器模式

适配器模式解释:https://www.jianshu.com/p/93821721bf08

java.util.Arrays#asList() 可以把数组类型转换为 List 类型。

@SafeVarargs
public  static <T>  List<T>  asList(T... a)

如果要将数组类型转换为 List 类型,应该注意的是 asList() 的参数为泛型的变长参数,因此不能使用基本类型数组作为参数,只能使用相应的包装类型数组。

Integer[ ]  arr =   {1, 2, 3};
List list = Arrays.asList(arr);

也可以使用以下方式生成 List。

List  list = Arrays.asList(1 ,2, 3);

源码分析

ArrayList

关键词

  • 默认大小为 10
  • 扩容 1.5 倍,加载因子为 0.5
  • 基于动态数组实现
  • 删除元素时不会减少容量,若希望减少容量则调用trimToSize()
  • 它不是线程安全的
  • 它能存放null值。
  • 扩容操作需要调用 Arrays.copyOf() 把原数组整个复制到新数组
  • 删除需要调用 System.arraycopy() 将 index+1 后面的元素都复制到 index 位置上,复制的代价很高。 -序列化:只序列化数组中有元素填充那部分内容

概览

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实现了 RandomAccess 接口,因此支持随机访问。这是理所当然的,因为 ArrayList 是基于数组实现的。

public  class  ArrayList<E> extends  AbstractList<E>
        implements  List<E>,  RandomAccess,  Cloneable, java.io.Serializable

扩容

如果不够时,需要使用 grow() 方法进行扩容,新容量的大小为 oldCapacity+(oldCapacity>>1),也就是旧容量的 1.5 倍。

扩容操作需要调用 Arrays.copyOf() 把原数组整个复制到新数组中

因此最好在创建 ArrayList 对象时就指定大概的容量大小,减少扩容操作的次数。

public boolean add(E e) {
? ?ensureCapacityInternal(size + 1); ?// Increments modCount!!
? ?elementData[size++] = e;
? ?return true;
}

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
? ?if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
? ? ? ?minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
? ?}
? ?ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
? ?modCount++;
? ?// overflow-conscious code
? ?if (minCapacity - elementData.length > 0)
? ? ? ?grow(minCapacity);
}

private void grow(int minCapacity) {
? ?// overflow-conscious code
? ?int oldCapacity = elementData.length;
? ?int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
? ?if (newCapacity - minCapacity < 0)
? ? ? ?newCapacity = minCapacity;
? ?if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
? ? ? ?newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
? ?// minCapacity is usually close to size, so this is a win:
? ?elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

加入元素:add

add(E e)

首先去检查一下数组的容量是否足够

  • 足够:直接添加
  • 不足够:扩容
    扩容到原来的1.5倍,第一次扩容后,如果容量还是小于minCapacity,就将容量扩充为minCapacity。

add(int index, E element)

步骤:

  • 检查角标
  • 空间检查,如果有需要进行扩容
  • 插入元素

删除元素:remove

步骤:

  • 检查角标
  • 删除元素
  • 计算出需要移动的个数,并移动
  • 设置为null,让GC回收(所以说不是立刻回收,而是等待GC回收)
public E remove(int index) {
? ?rangeCheck(index);
? ?modCount++;
? ?E oldValue = elementData(index);
? ?int numMoved = size - index - 1;
? ?if (numMoved > 0)
? ? ? ?System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
? ?elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
? ?return oldValue;
}

需要调用 System.arraycopy() 将 index+1 后面的元素都复制到 index 位置上,复制的代价很高。

复制数组:System.arraycopy()

看到arraycopy(),我们可以发现:该方法是由C/C++来编写的

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Fail-Fast

modCount 用来记录 ArrayList 结构发生变化的次数。结构发生变化是指添加或者删除至少一个元素的所有操作,或者是调整内部数组的大小,仅仅只是设置元素的值不算结构发生变化。

在进行序列化或者迭代等操作时,需要比较操作前后 modCount 是否改变,如果改变了需要抛出 ConcurrentModificationException。

private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
? ?throws java.io.IOException{
? ?// Write out element count, and any hidden stuff
? ?int expectedModCount = modCount;
? ?s.defaultWriteObject();

? ?// Write out size as capacity for behavioural compatibility with clone()
? ?s.writeInt(size);

? ?// Write out all elements in the proper order.
? ?for (int i=0; i<size; i++) {
? ? ? ?s.writeObject(elementData[i]);
? ?}

? ?if (modCount != expectedModCount) {
? ? ? ?throw new ConcurrentModificationException();
? ?}
}

构造器

ArrayList 提供了三种方式的构造器:

  • public ArrayList()可以构造一个默认初始容量为10的空列表;
  • public ArrayList(int initialCapacity)构造一个指定初始容量的空列表;
  • public ArrayList(Collection c)构造一个包含指定 collection 的元素的列表,这些元素按照该collection的迭代器返回它们的顺序排列的。

序列化

补充:transient讲解

http://www.importnew.com/21517.html

你只需要实现Serilizable接口,将不需要序列化的属性前添加关键字transient,序列化对象的时候,这个属性就不会序列化到指定的目的地中。

ArrayList 基于数组实现,并且具有动态扩容特性,因此保存元素的数组不一定都会被使用,那么就没必要全部进行序列化。

保存元素的数组 elementData 使用 transient 修饰,该关键字声明数组默认不会被序列化。

transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access

ArrayList 实现了 writeObject() 和 readObject() 来控制只序列化数组中有元素填充那部分内容。

private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
? ?throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
? ?elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;

? ?// Read in size, and any hidden stuff
? ?s.defaultReadObject();

? ?// Read in capacity
? ?s.readInt(); // ignored

? ?if (size > 0) {
? ? ? ?// be like clone(), allocate array based upon size not capacity
? ? ? ?ensureCapacityInternal(size);

? ? ? ?Object[] a = elementData;
? ? ? ?// Read in all elements in the proper order.
? ? ? ?for (int i=0; i<size; i++) {
? ? ? ? ? ?a[i] = s.readObject();
? ? ? ?}
? ?}
}
private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
? ?throws java.io.IOException{
? ?// Write out element count, and any hidden stuff
? ?int expectedModCount = modCount;
? ?s.defaultWriteObject();

? ?// Write out size as capacity for behavioural compatibility with clone()
? ?s.writeInt(size);

? ?// Write out all elements in the proper order.
? ?for (int i=0; i<size; i++) {
? ? ? ?s.writeObject(elementData[i]);
? ?}

? ?if (modCount != expectedModCount) {
? ? ? ?throw new ConcurrentModificationException();
? ?}
}

序列化时需要使用 ObjectOutputStream 的 writeObject() 将对象转换为字节流并输出。而 writeObject() 方法在传入的对象存在 writeObject() 的时候会去反射调用该对象的 writeObject() 来实现序列化。反序列化使用的是 ObjectInputStream 的 readObject() 方法,原理类似。

ArrayList list = new ArrayList();
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(file));
oos.writeObject(list);

Vector

关键词

  • 默认大小为 10(与Arraylist相同)
  • 扩容 2 倍,加载因子是 1(Arraylist是扩容 1.5 倍,加载因子为 0.5)
  • 其它几乎与ArrayList完全相同,唯一的区别在于 Vector 是同步的,因此开销就比 ArrayList 要大,访问速度更慢。
  • 使用了 synchronized 进行同步
  • Vector是jdk1.2的类了,比较老旧的一个集合类。应使用JUC的CopyOnWriteArrayList代替

替代方案

可以使用 Collections.synchronizedList(); 得到一个线程安全的 ArrayList。

List<String> list = new ArrayList<>();
List<String> synList = Collections.synchronizedList(list);

也可以使用 concurrent 并发包下的 CopyOnWriteArrayList 类。

List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();

CopyOnWriteArrayList

关键词

  • 写操作在一个复制的数组上进行,读操作还是在原始数组中进行,读写分离,互不影响。
  • 写操作需要加锁,防止并发写入时导致写入数据丢失。
  • 写操作结束之后需要把原始数组指向新的复制数组。
  • 适用于读操作远大于写操作的场景。

读写分离

public boolean add(E e) {
 ? ?final ReentrantLock lock = this.lock;
 ? ?lock.lock();
 ? ?try {
 ? ? ? ?Object[] elements = getArray();
 ? ? ? ?int len = elements.length;
 ? ? ? ?Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
 ? ? ? ?newElements[len] = e;
 ? ? ? ?setArray(newElements);
 ? ? ? ?return true;
 ? ?} finally {
 ? ? ? ?lock.unlock();
 ? ?}
}

final void setArray(Object[] a) {
 ? ?array = a;
}
@SuppressWarnings("unchecked")
private E get(Object[] a, int index) {
 ? ?return (E) a[index];
}

适用场景

CopyOnWriteArrayList 在写操作的同时允许读操作,大大提高了读操作的性能,因此很适合读多写少的应用场景。

缺陷

  • 内存占用:在写操作时需要复制一个新的数组,使得内存占用为原来的两倍左右;
  • 数据不一致:读操作不能读取实时性的数据,因为部分写操作的数据还未同步到读数组中。
    所以 CopyOnWriteArrayList 不适合内存敏感以及对实时性要求很高的场景。

LinkedList

关键词

  • 双向链表
  • 默认大小为 10
  • 带 Head 和 Tail 指针
  • Node 存储节点信息

概览

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基于双向链表实现,内部使用 Node 来存储链表节点信息。

private static class Node<E> {
? ?E item;
? ?Node<E> next;
? ?Node<E> prev;
}

每个链表存储了 Head 和 Tail 指针:

transient Node<E> first;
transient Node<E> last;

技术图片

ArrayList 与 LinkedList 比较

  • ArrayList 基于动态数组实现,LinkedList 基于双向链表实现;
  • ArrayList 支持随机访问,LinkedList 不支持;
  • LinkedList 在任意位置添加删除元素更快。

删除元素:remove

技术图片

获取元素:get

  • 下标小于长度的一半,从头遍历
  • 反之,从尾部遍历

替换元素:set

set方法和get方法其实差不多,根据下标来判断是从头遍历还是从尾遍历

其他方法

LinkedList实现了Deque接口,因此,我们可以操作LinkedList像操作队列和栈一样

LinkedList的方法比ArrayList的方法多太多了,这里我就不一一说明了。具体可参考:

参考

  • https://github.com/CyC2018/CS-Notes/blob/master/docs/notes/Java%20%E5%AE%B9%E5%99%A8.md
  • Eckel B. Java 编程思想 [M]. 机械工业出版社, 2002.
  • Java Collection Framework
  • Iterator 模式
  • Java 8 系列之重新认识 HashMap
  • What is difference between HashMap and Hashtable in Java?
  • Java 集合之 HashMap
  • The principle of ConcurrentHashMap analysis
  • 探索 ConcurrentHashMap 高并发性的实现机制
  • HashMap 相关面试题及其解答
  • Java 集合细节(二):asList 的缺陷
  • Java Collection Framework – The LinkedList Class

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原文地址:https://blog.51cto.com/15047490/2561287

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