Java容器相關知識全面總結

Java實用類庫提供了1套相當完全的容器來幫助我們解決很多具體問題。由于我本身是1名Android開發者，包括我在內很多安卓開發，最拿手的就是ListView(RecycleView)+BaseAdapter+ArrayList3劍客, 平時接觸使用的容器也只有ArrayList和HashMap。致使對全部Java容器體系的掌握和使用還停留在很淺的層面。省不足而思改進，那末隨著我來總結1下Java容器的相干知識吧。

結構

• java容器類的繼承結構
• 具體介紹
  • 迭代器
  • Collection
    • List
    • Set
    • Queue
  • Map
• 1些建議
• 進階·并發容器
  • CopyOnWriteArrayList與Copy-On-Write策略
  • ConcurrentLinkedQueue
  • ConcurrentHashMap與鎖分段技術
  • 阻塞隊列

java容器類的繼承結構

Java容器類庫定義了兩個不同概念的容器，Collection和Map

• Collection 1個獨立元素的序列，這些元素都服從1條或多條規則。List必須依照插入的順序保存元素。Set不能有重復元素。Queue依照排隊規則來肯定對象產生的順序。

(文中Jdk源碼版本無特殊說明均為jdk1.8.0_101)

    public interface Collection<E> extends Iterable<E> {
        int size();

        boolean isEmpty();

        boolean contains(Object o);

        Iterator<E> iterator();

        Object[] toArray();

        <T> T[] toArray(T[] a);

        boolean add(E e);

        boolean remove(Object o);

        boolean containsAll(java.util.Collection<?> c);

        boolean addAll(java.util.Collection<? extends E> c);

        boolean removeAll(java.util.Collection<?> c);

        ... //省略了其他方法
    }

可以看到，java定義了Collection接口和內部集合的基本操作方法，Collection默許可以進行對集合末端添加元素，刪除指定元素等操作。List、Set、Queue接口都繼承自Collection并定義了各自不同的方法。

• Map 1組成對的”鍵值對”對象，允許我們使用鍵來查找值。

    public interface Map<K,V> {
        int size();

        boolean containsKey(Object key);

        boolean containsValue(Object value);

        V get(Object key);

        V put(K key, V value);

        V remove(Object key);

        void putAll(java.util.Map<? extends K, ? extends V> m);

        void clear();

        Set<K> keySet();

        Collection<V> values();

        Set<java.util.Map.Entry<K, V>> entrySet();

        interface Entry<K,V> {
            K getKey();

            V getValue();

            V setValue(V value);

            boolean equals(Object o);

            int hashCode();

            ...
        }

        boolean equals(Object o);

        int hashCode();

    }

Map內部接口Entry<K,V>對應著Map的鍵值對。

具體介紹

迭代器

先介紹1下迭代器。迭代器本身也是1種設計模式，設計的初衷在于：容器的實現由很多種，而我們想對容器進行遍歷操作的話，首先不應當關心容器實現的細節，其次遍歷操作應當是輕量級的。迭代器統1了對容器的訪問方式，同時創建它的代價很小。值得注意的是，Iterator只能單向移動。

    public interface Iterator<E> {
        boolean hasNext();

        E next();

        default void remove() {
            throw new UnsupportedOperationException("remove");
        }

        default void forEachRemaining(Consumer<? super E> action) {
            Objects.requireNonNull(action);
            while (hasNext())
                action.accept(next());
            }
    }

通過容器的iterator()方法拿到容器的迭代器
迭代器的next()獲得下1個元素
hasNext()判斷是不是還有元素
remove()刪除指定元素

ListIterator

ListIterator是Iterator的擴大以內，用于各種List類訪問，支持雙向移動。

Collection

List

List 許諾可以將元素保護在特定的序列中.List接口在Collection的基礎上添加了大量的方法，使得可以再List中間插入和移除元素。

    public interface List<E> extends Collection<E> {

        ...

        boolean add(E e);

        boolean remove(Object o);

        boolean containsAll(Collection<?> c);

        boolean addAll(Collection<? extends E> c);

        boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c);

        boolean removeAll(Collection<?> c);

        boolean retainAll(Collection<?> c);

        E get(int index);

        E set(int index, E element);

        void add(int index, E element);

        E remove(int index);

        int indexOf(Object o);

        int lastIndexOf(Object o);

        java.util.List<E> subList(int fromIndex, int toIndex);

        ...

    }

有兩種類型的List，ArrayList和LinkedList

Set

Set不保存重復的元素，通經常使用于快速查找元素。值得1提的是，Set具有與Collection完全1樣的接口，沒有任何額外的功能。 存入的元素必須定義equals()方法

Queue

除并發利用，Queue唯一的兩個實現是LinkedList和PriorityQueue, 其中LinkedList同時實現了List, Deque接口。它們的差異在于排序行動而不是性能。

    public interface Queue<E> extends Collection<E> {
        boolean add(E e);

        boolean offer(E e);

        E remove();

        E poll();

        E element();

        E peek();
    }

Map

我們可以手工調劑HashMap來調劑性能，觸及到如容量、初始容量、尺寸、負載因子等概念。感興趣的話可以看1些相干資料。

1些建議

• 不要使用過時的容器 如Vector Enumeration Hashtable Stack(沒錯，這就是java最初的糟設計，實際中使用棧的話推薦LinkedList)

進階·并發容器

這里不會討論的太細致的實現，僅僅簡單介紹1下基礎知識，感興趣的可以瀏覽《Java 并發編程的藝術》這本書。

CopyOnWriteArrayList與Copy-On-Write策略

Copy-On-Write簡稱COW，是1種用于程序設計中的優化策略。其基本思路是，從1開始大家都在同享同1個內容，當某個人想要修改這個內容的時候，才會真正把內容Copy出去構成1個新的內容然后再改，這是1種延時怠惰策略。從JDK1.5開始Java并發包里提供了兩個使用CopyOnWrite機制實現的并發容器,它們是CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet。CopyOnWrite容器非常有用，可以在非常多的并發場景中使用到。

CopyOnWrite容器即寫時復制的容器。通俗的理解是當我們往1個容器添加元素的時候，不直接往當前容器添加，而是先將當前容器進行Copy，復制出1個新的容器，然后新的容器里添加元素，添加完元素以后，再將原容器的援用指向新的容器。這樣做的好處是我們可以對CopyOnWrite容器進行并發的讀，而不需要加鎖，由于當前容器不會添加任何元素。所以CopyOnWrite容器也是1種讀寫分離的思想，讀和寫不同的容器。

CopyOnWrite容器只能保證數據的終究1致性，不能保證數據的實時1致性。所以如果你希望寫入的的數據，馬上能讀到，請不要使用CopyOnWrite容器。

ConcurrentLinkedQueue

在并發編程中，有時候需要使用線程安全的隊列或列表。通常實現線程安全有兩種方式，1種是使用阻塞算法，1種是使用非阻塞算法。非阻塞算法實現基礎為循環CAS(Compare and Swipe 比較和交換)。

ConcurrentLinkedQueue技術上的實現與CopyOnWriteArrayList與Copy類似，但是容器只有部份內容而不是全部容器可以被復制和修改。ConcurrentLinkedQueue有head節點和tail節點組成，每一個節點由節點元素(item)和指向下1個結點(next)的援用組成。節點之間通過next關聯起來，構成1張鏈表結構的隊列。

ConcurrentHashMap與鎖分段技術

ConcurrentHashMap是線程安全且高效的HashMap。多線程環境下，使用非線程安全的HashMap會致使死循環，而如文章中建議的那樣，HashTable這類過時容器效力低下(使用synchronized來保證線程安全)。ConcurrentHashMap使用鎖分段技術，大大提高了并發使用的效力。

鎖分段技術: 假定容器有多把鎖，每把鎖用于鎖容器其中1部份數據，當多線程訪問容器不同數據段數據時，線程間就不存在鎖競爭，從而提高并發訪問效力。

阻塞隊列

JDK7 提供了7個阻塞隊列，實現原理都是基于生產-消費模式的等待通知機制。

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