【系列】重新认识Java——容器体系（Collection）

Java中的容器在开发过程必然会接触到的，也是作为一名合格的Java程序员必须要掌握的内容。各种面试、笔试中十有八九都会在容器上面做“文章”。由于每一类容器涉及的知识点都比较多，基于单一职责原则，本文并不会对特定容器做特别深入地介绍。文章在宏观层面上来研究一下Java中的容器体系，并比较各种容器之前的联系与区别，主要内容如下：

Java容器的体系结构

Collection体系

Map体系

容器的体系结构

Java中的容器主要有Collection和Map，它们都是顶层接口，都位于

java.util

包下，实际使用地容器都是基于这两个接口延伸出来的。下面来看看在实际开发过程中使用的主要类的类图（基于JDK1.8），并简单地介绍它们的功能。

下面是

Collection

接口的类图：

List

：是一种已知顺序的有序数据集，可容纳重复的元素。

Set

：是一种数学意义上的集合，最大的特点是不可容纳重复元素。

Queue

：即队列，与经典数据结构的队列一致。

下面是

Map

接口的类图：

HashMap

：即哈希表，与经典数据结构中哈希表一致，主要用于快速查找。

HashTable

：与

HashMap

功能基本一致，不过是线程安全的。

SortedMap

：经过排序的Map。

ConcurrentMap

：并发Map，主要用于多线程并发环境下。

Collection

Collection

实现了

Iterable

（迭代器）接口，意味着其子类都可以利用迭代器模式来访问其中的元素。所以，我们可以用

for...each...

方式要顺序读取

Collection

中的元素，类似下面的代码：

public static void main(String[] args) {
Collection<String> c = new ArrayList<String>();
c.add("1");
for (String s : c) {
System.out.println(s);
}
}

这种写法实际上不属于Java的原生语法，而是一种语法糖。它最终编译后的字节码主体部分为：

public static void main(java.lang.String[]);
descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=2, locals=4, args_size=1
0: new           #16                 // class java/util/ArrayList
3: dup
4: invokespecial #18                 // Method java/util/ArrayList."<init>":()V
7: astore_1
8: aload_1
9: ldc           #19                 // String 1
11: invokeinterface #21,  2           // InterfaceMethod java/util/Collection.add:(Ljava/lang/Object;)Z
16: pop
17: aload_1
18: invokeinterface #27,  1           // InterfaceMethod java/util/Collection.iterator:()Ljava/util/Iterator;
23: astore_3
24: goto          44
27: aload_3
28: invokeinterface #31,  1           // InterfaceMethod java/util/Iterator.next:()Ljava/lang/Object;
33: checkcast     #37                 // class java/lang/String
36: astore_2
37: getstatic     #39                 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
40: aload_2
41: invokevirtual #45                 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
44: aload_3
45: invokeinterface #51,  1           // InterfaceMethod java/util/Iterator.hasNext:()Z
50: ifne          27
53: return

看上面字节码中的第15行，它调用了

Iterator

接口中定义的

iterator()

方法来获取一个

Iterator

的实例。然后分别用

next()

和

hasNext()

来进行循环来读取

Collection

中保存的元素，这是Java中迭代器的典型用法。

所有实现Collection接口的类都必须提供两个标准的 构造函数：

无参数的构造函数用于创建一个空的Collection。

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。

List

List

是一类顺序已知的数据集，元素存放的逻辑顺序完全由调用者控制，并且可以存放重复元素（

equals

比较后返回

true

的元素）和

null

元素。调用者能够使用索引（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。

List

除了可以利用

iterator()

返回一个

Iterator

示例外，还定义了

listIterator()

方法来返回一个

ListIterator

实例。

ListIterator

接口继承了

Iterator

接口，它定义删除、添加和向前索引元素等方法。

List

接口的主要子（孙）类有：

ArryList

、

LinkedList

和

Vector

，他们主要的区别如下表：

List	线程安全性	扩容时是否需要复制	是否可以指定初始容量
ArrayList	非线程安全	是	是
LinkedList	非线程安全	否	否
Vector	线程安全	是	是

Vector

已经很少被用到了，下面仅比较

ArryList

和

LinkedList

的各种操作效率，然后介绍其使用场景。

List	add	get	remove	占用空间	内存空间是否连续
ArrayList	时间复杂度：O(n)	时间复杂度：O(1)	时间复杂度：O(n)	元素占用空间和	连续
LinkedList	时间复杂度：O(1)	时间复杂度：O(n)	时间复杂度：O(n)	元素占用空间和+指针空间	可以不连续

从上面可以看出，

ArryList

和

LinkedList

各自有其优势和劣势，他们的使用场景可以总结为：

如果待容纳的元素总量确定，则优先使用

ArryList

；

如果读操作大于写操作，则使用

ArryList

；反之，则使用

LinkedList

。

Set

Set

表示数学意义上的集合，它不允许重复的元素，即任意的两个元素e1和e2都有

e1.equals(e2)

为

false

。

Set

最多允许一个

null

元素，

Set

的构造函数有一个约束条件，传入的

Collection

实例不能包含重复的元素。实际使用较多的子类有：

HashSet

和

TreeSet

。

Set

的实现类基本上都是基于

Map

来实现的，它巧妙地利用了

Map

中的key不会重复的特性。

HashSet

是基于

HashMap

实现的，而

TreeSet

默认是基于

TreeSet

实现的。它们的区别如下：

Set	元素有序性	是否支持排序
HashSet	无序	不支持排序
TreeSet	有序	支持排序

如果无需保证取出的元素序列与插入的元素序列顺序完全一致，则使用

HashSet

；反之，则应该使用

TreeSet

。

Queue

队列是一种先进先出的数据结构．它有两个基本操作：在队列尾部加人一个元素，从队列头部移除一个元素。由于笔者在实际开发过程极少会用到这种数据结构，或者会使用额外的消息队列来替代，所以暂时将这部分内容先放一放。

LinkedBlockingQueue

、

ArrayBlockingQueue

等阻塞式队列广泛用于Java并发库中，在学习j.u.c包时再深入地研究。

Map体系

Map

是一种把键和值进行映射的集合，其中的每个元素都是

Map.Entry

实例。

Map

的主要功能是通过键（key）快速查找出值（value）。主要有两种方法对

Map

进行遍历：

第一种，先获取

entrySet

，然后利用迭代器遍历这个对象。

Map map = new HashMap();
Iterator iter = map.entrySet().iterator();
while (iter.hasNext()) {
Map.Entry entry = (Map.Entry) iter.next();
Object key = entry.getKey();
Object val = entry.getValue();
}

第二种，先获取

Map

的迭代器，每次取出一个key，然后查找每个key所对应的value。

Map map = new HashMap();
Iterator iter = map.keySet().iterator();
while (iter.hasNext()) {
Object key = iter.next();
Object val = map.get(key);
}

很显然，第一种遍历方式效率更高，推荐使用。

Map

的子类非常多，使用频率较高的是下面4个：

HashMap：最接近数据结构中的哈希表的实现，采用拉链法解决key冲突。前面的

HashSet

即使基于这个类来实现的。

HashTable：线程安全版的HashMap。

LinkedHashMap：HashMap的子类，利用链表解决HashMap中遍历时，输出的元素顺序与插入顺序不一致的问题。

TreeMap：与

TreeSet

的特点类似，可以对key进行排序。

Map

是Java中的非常重要的数据结构，上面的几种实现各有侧重，通过下面的表格来看看它们各自的特点：

Map	线程安全	达到容量上限时内存拷贝	是否允许null key	遍历顺序	是否可排序
HashMap	否	需要	是	无序	否
HashTable	是	需要	否	无序	否
LinkedHashMap	否	需要	是	与输入顺序一致	否
TreeMap	是	不需要	否	与输入顺序一致	是

在这4个类中，

HashMap

和

TreeMap

2中场景，下面介绍不同场景下该使用哪种Map。

HashMap：插入、删除和定位元素的平均时间复杂度为O(N)，是一个常数时间。如果没有排序需求，则应该优先使用

HashMap

。

Treemap：插入、删除和定位元素的平均时间复杂度为O(log(n))适用于按自然顺序或自定义顺序遍历键(key)。

总结

本文简单地介绍了Java中的主要容器体系，内容非常浅。深入了解Java各个容器的内部原理和实现方式是Java程序员进阶的必经之路。在今后的学习中，笔者会研读这些容器类的源代码，并将学习笔记发布上来。

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