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java集合框架的體系結構詳細說明

高洛峰
發布: 2017-01-23 10:37:55
原創
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最近在一本J2EE的書中看到了很不錯的對集合框架的說明文章,篩選後發上來和大家共享,集合框架提供管理對象集合的接口和類.它包含接口,類,算法,以下是它的各個組件的說明. 
Collection介面 
Collection是最基本的集合接口,一個Collection代表一組Object,即Collection的元素(Elements)。有些Collection允許相同的元素而有些不行。有些能排序而有些不行。 Java SDK不提供直接繼承自Collection的類,Java SDK提供的類別都是繼承自Collection的「子介面」如List和Set。
所有實作Collection介面的類別都必須提供兩個標準的建構子:無參數的建構子用來建立一個空的Collection,有一個Collection參數的建構子用來建立一個新的Collection,這個新的Collection與傳入的Collection有相同的元素。後一個建構函式允許使用者複製一個Collection。 
如何遍歷Collection中的每一個元素?不論Collection的實際類型如何,它都支援一個iterator()的方法,該方法傳回一個迭代子,使用該迭代子即可逐一存取Collection中每一個元素。典型的用法如下: 

Iterator it = collection.iterator(); // 获得一个迭代子 
while(it.hasNext()) { 
Object obj = it.next(); // 得到下一个元素 
}
登入後複製

由Collection介面派生的兩個介面是List和Set。 
List介面 
List是有序的Collection,使用此介面能夠精確的控制每個元素插入的位置。使用者能夠使用索引(元素在List中的位置,類似於陣列下標)來存取List中的元素,這類似於Java的陣列。 
和下面要提的Set不同,List允許有相同的元素。
除了具有Collection接口必備的iterator()方法外,List還提供一個listIterator()方法,返回一個ListIterator接口,和標準的Iterator接口相比,ListIterator多了一些add()之類的方法,允許添加,刪除,設定元素,還能向前或向後遍歷。 
實作List介面的常用類別有LinkedList,ArrayList,Vector和Stack。 
LinkedList類別 
LinkedList實作了List接口,允許null元素。另外LinkedList提供額外的get,remove,insert方法在LinkedList的首部或尾部。這些操作使LinkedList可被用作堆疊(stack),佇列(queue)或雙向佇列(deque)。 
注意LinkedList沒有同步方法。如果多個執行緒同時存取一個List,則必須自行實作存取同步。一個解決方法是在建立List時建構一個同步的List: 
List list = Collections.synchronizedList(new LinkedList(...)); 
ArrayList類別 
ArrayList實作了可變大小的陣列。它允許所有元素,包括null。 ArrayList沒有同步。 
size,isEmpty,get,set方法運行時間為常數。但是add方法開銷為分攤的常數,增加n個元素需要O(n)的時間。其他的方法運行時間為線性。 
每個ArrayList實例都有一個容量(Capacity),也就是用於儲存元素的陣列的大小。這個容量可隨著不斷添加新元素而自動增加,但是成長演算法並沒有定義。當需要插入大量元素時,在插入前可以呼叫ensureCapacity方法來增加ArrayList的容量以提高插入效率。 
和LinkedList一樣,ArrayList也是非同步的(unsynchronized)。 
Vector類別 
Vector非常類似ArrayList,但是Vector是同步的。由Vector創建的Iterator,雖然和ArrayList創建的Iterator是同一接口,但是,因為Vector是同步的,當一個Iterator被創建而且正在被使用,另一個線程改變了Vector的狀態(例如,添加或刪除了一些元素),這時呼叫Iterator的方法時將拋出ConcurrentModificationException,因此必須捕獲該異常。 
Stack 類別 
Stack繼承自Vector,實作一個後進先出的堆疊。 Stack提供5個額外的方法使得Vector得以被當作堆疊使用。基本的push和pop方法,還有peek方法得到棧頂的元素,empty方法測試堆疊是否為空,search方法檢測一個元素在堆疊中的位置。 Stack剛建立後是空棧。 
Set介面 
Set是一種不包含重複的元素的Collection,即任意的兩個元素e1和e2都有e1.equals(e2)=false,Set最多有一個null元素。 
很明顯,Set的建構子有一個限制條件,傳入的Collection參數不能包含重複的元素。 
請注意:必須小心操作可變物件(Mutable Object)。如果一個Set中的可變元素改變了自身狀態導致Object.equals(Object)=true將會導致一些問題。 
Map介面 
請注意,Map沒有繼承Collection接口,Map提供key到value的映射。一個Map中不能包含相同的key,每個key只能對應一個value。 Map介面提供3種集合的視圖,Map的內容可以當作一組key集合,一組value集合,或是一組key-value映射。 
Hashtable類別 
Hashtable繼承Map接口,實作一個key-value映射的雜湊表。任何非空(non-null)的物件都可作為key或value。 
新增資料使用put(key, value),取出資料使用get(key),這兩個基本運算的時間開銷為常數。 
Hashtable透過initial capacity和load factor兩個參數調整效能。通常缺省的load factor 0.75較好地實現了時間和空間的均衡。增加load factor可以節省空間但相應的查找時間將增加,這會影響像get和put這樣的操作。 
使用Hashtable的簡單示例如下,將1,2,3放到Hashtable中,他們的key分別是”one”,”two”,”three”: 

Hashtable numbers = new Hashtable(); 
numbers.put(“one”, new Integer(1)); 
numbers.put(“two”, new Integer(2)); 
numbers.put(“three”, new Integer(3));
登入後複製

要取出一个数,比如2,用相应的key: 
Integer n = (Integer)numbers.get(“two”); 
System.out.println(“two = ” + n); 
由于作为key的对象将通过计算其散列函数来确定与之对应的value的位置,因此任何作为key的对象都必须实现hashCode和equals方法。hashCode和equals方法继承自根类Object,如果你用自定义的类当作key的话,要相当小心,按照散列函数的定义,如果两个对象相同,即obj1.equals(obj2)=true,则它们的hashCode必须相同,但如果两个对象不同,则它们的hashCode不一定不同,如果两个不同对象的hashCode相同,这种现象称为冲突,冲突会导致操作哈希表的时间开销增大,所以尽量定义好的hashCode()方法,能加快哈希表的操作。 
如果相同的对象有不同的hashCode,对哈希表的操作会出现意想不到的结果(期待的get方法返回null),要避免这种问题,只需要牢记一条:要同时复写equals方法和hashCode方法,而不要只写其中一个。 
Hashtable是同步的。 
HashMap类 
HashMap和Hashtable类似,不同之处在于HashMap是非同步的,并且允许null,即null value和null key。,但是将HashMap视为Collection时(values()方法可返回Collection),其迭代子操作时间开销和HashMap的容量成比例。因此,如果迭代操作的性能相当重要的话,不要将HashMap的初始化容量设得过高,或者load factor过低。 
WeakHashMap类 
WeakHashMap是一种改进的HashMap,它对key实行“弱引用”,如果一个key不再被外部所引用,那么该key可以被GC回收。 
总结 
如果涉及到堆栈,队列等操作,应该考虑用List,对于需要快速插入,删除元素,应该使用LinkedList,如果需要快速随机访问元素,应该使用ArrayList。 
如果程序在单线程环境中,或者访问仅仅在一个线程中进行,考虑非同步的类,其效率较高,如果多个线程可能同时操作一个类,应该使用同步的类。 
要特别注意对哈希表的操作,作为key的对象要正确复写equals和hashCode方法。 
尽量返回接口而非实际的类型,如返回List而非ArrayList,这样如果以后需要将ArrayList换成LinkedList时,客户端代码不用改变。这就是针对抽象编程。

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來源:php.cn
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