Java初學者必備 Java集合的小抄

在儘可能短的篇幅裡，將所有集合與並發集合的特徵，實現方式，性能捋一遍。適合所有」精通Java」其實還不那麼自信的人閱讀。

List

◆ArrayList

以數組實現。節約空間，但數組有容量限制。超出限制時會增加50%容量，用System.arraycopy()複製到新的數組，因此最好能給出數組大小的預估值。默認第一次插入元素時創建大小為10的數組。

按數組下標訪問元素–get(i)/set(i,e) 的性能很高，這是數組的基本優勢。

直接在數組末尾加入元素–add(e)的性能也高，但如果按下標插入、刪除元素–add(i,e), remove(i), remove(e)，則要用System.arraycopy()來移動部分受影響的元素，性能就變差了，這是基本劣勢。

◆LinkedList

以雙向鍊表實現。鍊表無容量限制，但雙向鍊表本身使用了更多空間，也需要額外的鍊表指針操作。

按下標訪問元素–get(i)/set(i,e) 要悲劇的遍歷鍊表將指針移動到位(如果i>數組大小的一半，會從末尾移起)。

插入、刪除元素時修改前後節點的指針即可，但還是要遍歷部分鍊表的指針才能移動到下標所指的位置，只有在鍊表兩頭的操作–add(), addFirst(),removeLast()或用iterator()上的remove()能省掉指針的移動。

◆CopyOnWriteArrayList

並發優化的ArrayList。用CopyOnWrite策略，在修改時先複製一個快照來修改，改完再讓內部指針指向新數組。

因為對快照的修改對讀操作來說不可見，所以只有寫鎖沒有讀鎖，加上複製的昂貴成本，典型的適合讀多寫少的場景。如果更新頻率較高，或數組較大時，還是Collections.synchronizedList(list)，對所有操作用同一把鎖來保證線程安全更好。

增加了addIfAbsent(e)方法，會遍歷數組來檢查元素是否已存在，性能可想像的不會太好。

◆補充

無論哪種實現，按值返回下標–contains(e), indexOf(e), remove(e) 都需遍歷所有元素進行比較，性能可想像的不會太好。

沒有按元素值排序的SortedList，在線程安全類中也沒有無鎖算法的ConcurrentLinkedList，湊合著用Set與Queue中的等價類時，會缺少一些List特有的方法。

Map

◆HashMap

以Entry[]數組實現的哈希桶數組，用Key的哈希值取模桶數組的大小可得到數組下標。

插入元素時，如果兩條Key落在同一個桶(比如哈希值1和17取模16後都屬於第一個哈希桶)，Entry用一個next屬性實現多個Entry以單向鍊表存放，後入桶的Entry將next指向桶當前的Entry。

查找哈希值為17的key時，先定位到第一個哈希桶，然後以鍊表遍歷桶裡所有元素，逐個比較其key值。

當Entry數量達到桶數量的75%時(很多文章說使用的桶數量達到了75%，但看代碼不是)，會成倍擴容桶數組，並重新分配所有原來的Entry，所以這裡也最好有個預估值。

取模用位運算(hash & (arrayLength-1))會比較快，所以數組的大小永遠是2的N次方， 你隨便給一個初始值比如17會轉為32。默認第一次放入元素時的初始值是16。

iterator()時順著哈希桶數組來遍歷，看起來是個亂序。

在JDK8裡，新增默認為8的閥值，當一個桶裡的Entry超過閥值，就不以單向鍊表而以紅黑樹來存放以加快Key的查找速度。

◆LinkedHashMap

擴展HashMap增加雙向鍊表的實現，號稱是最佔內存的數據結構。支持iterator()時按Entry的插入順序來排序(但是更新不算， 如果設置accessOrder屬性為true，則所有讀寫訪問都算)。

實現上是在Entry上再增加屬性before/after指針，插入時把自己加到Header Entry的前面去。如果所有讀寫訪問都要排序，還要把前後Entry的before/after拼接起來以在鍊表中刪除掉自己。

◆TreeMap

以紅黑樹實現，篇幅所限詳見入門教程。支持iterator()時按Key值排序，可按實現了Comparable接口的Key的升序排序，或由傳入的Comparator控制。可想像的，在樹上插入/刪除元素的代價一定比HashMap的大。

支持SortedMap接口，如firstKey()，lastKey()取得最大最小的key，或sub(fromKey, toKey), tailMap(fromKey)剪取Map的某一段。

◆ConcurrentHashMap

並發優化的HashMap，默認16把寫鎖(可以設置更多)，有效分散了阻塞的概率，而且沒有讀鎖。

數據結構為Segment[]，Segment裡面才是哈希桶數組，每個Segment一把鎖。Key先算出它在哪個Segment裡，再算出它在哪個哈希桶裡。

支持ConcurrentMap接口，如putIfAbsent(key，value)與相反的replace(key，value)與以及實現CAS的replace(key, oldValue, newValue)。

沒有讀鎖是因為put/remove動作是個原子動作(比如put是一個對數組元素/Entry 指針的賦值操作)，讀操作不會看到一個更新動作的中間狀態。

◆ConcurrentSkipListMap

JDK6新增的並發優化的SortedMap，以SkipList實現。SkipList是紅黑樹的一種簡化替代方案，是個流行的有序集合算法，篇幅所限見入門教程。Concurrent包選用它是因為它支持基於CAS的無鎖算法，而紅黑樹則沒有好的無鎖算法。

很特殊的，它的size()不能隨便調，會遍歷來統計。

◆補充

關於null，HashMap和LinkedHashMap是隨意的，TreeMap沒有設置Comparator時key不能為null；ConcurrentHashMap在JDK7裡value不能為null(這是為什麼呢？)，JDK8裡key與value都不能為null；ConcurrentSkipListMap是所有JDK裡key與value都不能為null。

Set

Set幾乎都是內部用一個Map來實現, 因為Map裡的KeySet就是一個Set，而value是假值，全部使用同一個Object。Set的特徵也繼承了那些內部Map實現的特徵。

◆HashSet

內部是HashMap。

◆LinkedHashSet

內部是LinkedHashMap。

◆TreeSet

內部是TreeMap的SortedSet。

◆ConcurrentSkipListSet

內部是ConcurrentSkipListMap的並發優化的SortedSet。

◆CopyOnWriteArraySet

內部是CopyOnWriteArrayList的並發優化的Set，利用其addIfAbsent()方法實現元素去重，如前所述該方法的性能很一般。

◆補充

好像少了個ConcurrentHashSet，本來也該有一個內部用ConcurrentHashMap的簡單實現，但JDK偏偏沒提供。Jetty就自己封了一個，Guava則直接用java.util.Collections.newSetFromMap(new ConcurrentHashMap()) 實現。

Queue

Queue是在兩端出入的List，所以也可以用數組或鍊表來實現。

–普通隊列–

◆LinkedList

是的，以雙向鍊表實現的LinkedList既是List，也是Queue。它是唯一一個允許放入null的Queue。

◆ArrayDeque

以循環數組實現的雙向Queue。大小是2的倍數，默認是16。

普通數組只能快速在末尾添加元素，為了支持FIFO，從數組頭快速取出元素，就需要使用循環數組：有隊頭隊尾兩個下標：彈出元素時，隊頭下標遞增；加入元素時，如果已到數組空間的末尾，則將元素循環賦值到數組[0](如果此時隊頭下標大於0，說明隊頭彈出過元素，有空位)，同時隊尾下標指向0，再插入下一個元素則賦值到數組[1]，隊尾下標指向1。如果隊尾的下標追上隊頭，說明數組所有空間已用完，進行雙倍的數組擴容。

◆PriorityQueue

用二叉堆實現的優先級隊列，詳見入門教程，不再是FIFO而是按元素實現的Comparable接口或傳入Comparator的比較結果來出隊，數值越小，優先級越高，越先出隊。但是注意其iterator()的返回不會排序。

–線程安全的隊列–

◆ConcurrentLinkedQueue/ConcurrentLinkedDeque

無界的並發優化的Queue，基於鍊表，實現了依賴於CAS的無鎖算法。

ConcurrentLinkedQueue的結構是單向鍊表和head/tail兩個指針，因為入隊時需要修改隊尾元素的next指針，以及修改tail指向新入隊的元素兩個CAS動作無法原子，所以需要的特殊的算法，篇幅所限見入門教程。

◆PriorityBlockingQueue

無界的並發優化的PriorityQueue，也是基於二叉堆。使用一把公共的讀寫鎖。雖然實現了BlockingQueue接口，其實沒有任何阻塞隊列的特徵，空間不夠時會自動擴容。

◆DelayQueue

內部包含一個PriorityQueue，同樣是無界的。元素需實現Delayed接口，每次調用時需返回當前離觸發時間還有多久，小於0表示該觸發了。

pull()時會用peek()查看隊頭的元素，檢查是否到達觸發時間。ScheduledThreadPoolExecutor用了類似的結構。

–線程安全的阻塞隊列–

BlockingQueue的隊列長度受限，用以保證生產者與消費者的速度不會相差太遠，避免內存耗盡。隊列長度設定後不可改變。當入隊時隊列已滿，或出隊時隊列已空，不同函數的效果見下表：

可能報異常返回布爾值可能阻塞等待可設定等待時間入隊add(e)offer(e)put(e)offer(e, timeout, unit)出隊remove()poll()take()poll(timeout, unit)查看element()peek()無無

◆ArrayBlockingQueue

定長的並發優化的BlockingQueue，基於循環數組實現。有一把公共的讀寫鎖與notFull、notEmpty兩個Condition管理隊列滿或空時的阻塞狀態。

◆LinkedBlockingQueue/LinkedBlockingDeque

可選定長的並發優化的BlockingQueue，基於鍊表實現，所以可以把長度設為Integer.MAX_VALUE。利用鍊表的特徵，分離了takeLock與putLock兩把鎖，繼續用notEmpty、notFull管理隊列滿或空時的阻塞狀態。

◆補充

JDK7有個LinkedTransferQueue，transfer(e)方法保證Producer放入的元素，被Consumer取走了再返回，比SynchronousQueue更好，有空要學習下。

不斷更新中，請儘量訪問博客原文。

via：花錢的年華 的博客

地址：http://calvin1978.blogcn.com/articles/collection.html

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