Java集合框架1-List和Set
集合框架簡(jiǎn)介
Java提供了一系列的集合，主要包括util包下邊的ArrayList，LinkedList，HashMap，HashTable，HashSet，LinkedHashMap，LinkedHashSet，TreeMap，TreeSet，ArrayDeque，PriorityQueue， EnumMap,Vector，Stack
Concurrent包中的ConcurrentHashMap，CopyOnWriteArrayList，CopyOnWriteArraySet，ArrayBlockingQueue，ConcurrentLinkedDequeue，ConcurrentLinkedQueue
從上邊的結(jié)構(gòu)構(gòu)可以看出來，Set和List最底層都是實(shí)現(xiàn)了Collection接口的，Collection接口z主要方法如下：
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(Collection<?> c);
boolean addAll(Collection<? extends E> c);
boolean removeAll(Collection<?> c);
boolean retainAll(Collection<?> c);
void clear();
default boolean removeIf(Predicate<? super E> filter)
可以看到，除了常見方法之外，由于Collection繼承了Iterable，所以還有一個(gè)iterator()方法，也就是說，Set和List都可以通過Iterator來遍歷。
ArrayList
ArrayList可以說是最常用的集合了。它的構(gòu)造方法如下：
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
public ArrayList(int initialCapacity) {
if (initialCapacity > 0) {
this.elementData = new Object[initialCapacity];
} else if (initialCapacity == 0) {
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
} else {
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
initialCapacity);
}
}
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
elementData = c.toArray();
if ((size = elementData.length) != 0) {
// c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
if (elementData.getClass() != Object[].class)
//c.toArray()返回的可能不是Object[]，而ArrayList存儲(chǔ)數(shù)據(jù)用的就是Object[]，這時(shí)候就需要將elementData轉(zhuǎn)換成Object[]
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
} else {
// replace with empty array.
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
}
三個(gè)構(gòu)造方法，第一二兩個(gè)，實(shí)際上是創(chuàng)建了一個(gè)可以指定容量的空的Object數(shù)組。區(qū)別在于，無參構(gòu)造函數(shù)將存儲(chǔ)數(shù)組elementData指向了DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA，它和EMPTY_ELEMENTDATA的區(qū)別馬上我們就可以看到。
第三個(gè)不常用的構(gòu)造函數(shù)，可以接受一個(gè)實(shí)現(xiàn)了Collection接口的集合作為參數(shù)，并將它的值全部復(fù)制進(jìn)來
List創(chuàng)建完成以后，添加數(shù)據(jù)使用的add方法有以下幾個(gè)：
public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
}
public void add(int index, E element) {
if (index > size || index < 0)
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
size - index);
elementData[index] = element;
size++;
}
兩個(gè)方法基本相同，第二個(gè)方法可以指定位置插入元素，插入之后，后邊的元素index全部增加+1，長(zhǎng)度同時(shí)增加，不指定位置的時(shí)候，在數(shù)組最后一位插入數(shù)據(jù)，插入數(shù)據(jù)之前，需要通過ensureCapacityInternal方法來擴(kuò)容，源碼如下：
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);
}
在ensureCapacityInternal方法中，第一步先判斷了是不是DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA，如果是的話，說明list是通過無參構(gòu)造方法創(chuàng)建的，擴(kuò)容值取DEFAULT_CAPACITY和 size+1中的較大者，DEFAULT_CAPACITY值為10，這里就清楚了：
通過new ArrayList(0) 和new ArrayList()創(chuàng)建的list，初始容量都是0，但是在add一個(gè)元素的時(shí)候，前者容量會(huì)變成0+1=1，而后者會(huì)直接直接將容量變成默認(rèn)值：10
擴(kuò)容最終是通過grow方法實(shí)現(xiàn)的：新的容量先確定為原來的1.5倍，同時(shí)確保擴(kuò)容的容量不能比原來小，也不能超過最大值，確定了長(zhǎng)度之后，再把數(shù)據(jù)拷貝進(jìn)來。
再來看一下移除數(shù)據(jù)的remove方法：
public E remove(int index) {
if (index >= size)
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
modCount++;
E oldValue = (E) 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;
}
public boolean remove(Object o) {
if (o == null) {
for (int index = 0; index < size; index++)
if (elementData[index] == null) {
fastRemove(index);
return true;
}
} else {
for (int index = 0; index < size; index++)
if (o.equals(elementData[index])) {
fastRemove(index);
return true;
}
}
return false;
}
private void fastRemove(int index) {
modCount++;
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
}
相比add方法，remove就比較簡(jiǎn)單了，傳入int參數(shù)，表示按索引移除，傳入Object表示按值移除，按值移除時(shí)，需要先判斷值是不是null，null用 == 來判斷，否則用 equals 方法判斷，最終的移除是通過System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,numMoved);來實(shí)現(xiàn)的：保留index之前的數(shù)據(jù)不變，從 index+1 開始復(fù)制數(shù)據(jù)到 index 的位置，將最后一位賦值為null（釋放對(duì)象）
LinkedList
LinkedList內(nèi)部實(shí)現(xiàn)使用鏈表的形式，構(gòu)造方法如下：
public LinkedList() {
}
public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
this();
addAll(c);
}
非常簡(jiǎn)單，除了復(fù)制數(shù)據(jù)之外，沒有任何初始化工作。，下邊看add方法：
public boolean add(E e) {
linkLast(e);
return true;
}
public void add(int index, E element) {
checkPositionIndex(index);
if (index == size)
linkLast(element);
else
linkBefore(element, node(index));
}
void linkLast(E e) {
final Node<E> l = last;//新建對(duì)象 l 指向原來的鏈表尾部數(shù)據(jù)（last是指向尾部數(shù)據(jù)的成員變量）
final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);//新建一個(gè)節(jié)點(diǎn)，pre指針指向原來的尾部 l
last = newNode;//成員變量last指向新的尾部：newNode
if (l == null)//如果 l 是空的，說明原來沒有數(shù)據(jù)，所以，新建的節(jié)點(diǎn)是頭部
first = newNode;
else //不是空的說明原來有數(shù)據(jù)，將原來的尾部數(shù)據(jù) l 的next指針指向新的尾部： newNode
l.next = newNode;
size++;
modCount++;
}
void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
// assert succ != null;
final Node<E> pred = succ.prev;
final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
succ.prev = newNode;
if (pred == null)
first = newNode;
else
pred.next = newNode;
size++;
modCount++;
}
如果不指定index，直接將元素添加在鏈表尾部，否則添加在指定位置。
接下來看取值方法get：
public E get(int index) {
checkElementIndex(index);
return node(index).item;
}
Node<E> node(int index) {
// assert isElementIndex(index);
if (index < (size >> 1)) {
Node<E> x = first;
for (int i = 0; i < index; i++)
x = x.next;
return x;
} else {
Node<E> x = last;
for (int i = size - 1; i > index; i--)
x = x.prev;
return x;
}
}
采用鏈表形式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，不能像數(shù)組一樣直接取值了，最終通過node方法實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)方式是二分法，遍歷取值。
HashSet和LinkedHashSet
HashSet構(gòu)造方法如下：
public HashSet() {
map = new HashMap<>();
}
初始化了一個(gè)HashMap，也就是說，HashSet存儲(chǔ)數(shù)據(jù)實(shí)際上使用了HashMap。
對(duì)數(shù)據(jù)的操作方法如下：
private static final Object PRESENT = new Object();
public boolean add(E e) {
return map.put(e, PRESENT)==null;
}
public boolean remove(Object o) {
return map.remove(o)==PRESENT;
}
可以說是非常簡(jiǎn)單，全部調(diào)用了HashMap的方法，數(shù)據(jù)作為map的key，value統(tǒng)一為PRESENT。
再看一下LinkedHashSet：
public LinkedHashSet() {
super(16, .75f, true);
}
public LinkedHashSet(int initialCapacity) {
super(initialCapacity, .75f, true);
}
public LinkedHashSet(int initialCapacity, float loadFactor) {
super(initialCapacity, loadFactor, true);
}
HashSet(int initialCapacity, float loadFactor, boolean dummy) {
map = new LinkedHashMap<>(initialCapacity, loadFactor);
}
實(shí)際上LinkedHashSet創(chuàng)建的時(shí)候，調(diào)用了HashSet的構(gòu)造方法，創(chuàng)建了一個(gè)指定初始容量（默認(rèn)16）和負(fù)載因子（默認(rèn)0.75）的LinkedHashMap。
其他方法全部都是調(diào)用父類HashSet，所以他們兩個(gè)唯一的區(qū)別就是：HashSet是使用HashMap，而LinkedHashSet使用LinkedHashMap。
同樣的，TreeSet數(shù)據(jù)存儲(chǔ)使用的是TreeMap。而ArraySet則是Android提供的，和ArrayMap一樣，都是采用了數(shù)組的形式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，占用內(nèi)存更小一些。
List 和 Set 的遍歷以及數(shù)據(jù)操作
List 和 Set 都實(shí)現(xiàn)了Iteratorable接口，使用Iterator遍歷方法如下：
ArrayList<String> s = new ArrayList<>();
s.add("a");
s.add("b");
s.add("c");
s.add("d");
s.add("e");
Iterator<String> it = s.iterator();
while (it.hasNext()){
String s1 = it.next();
System.out.println(s1);
}
如果在遍歷的過程中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，看下邊的例子：
Iterator<String> it = s.iterator();
while (it.hasNext()){
String s1 = it.next();
if("a".equals(s1)){
s.remove(s1);
}
}
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
Iterator<String> it = s.iterator();
while (it.hasNext()) {
String s1 = it.next();
System.out.println(s1);
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}).start();
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
Iterator<String> it = s.iterator();
while (it.hasNext()) {
String s1 = it.next();
if ("e".equals(s1)) {
it.remove();
}
}
}
}).start();
運(yùn)行以后會(huì)拋出下邊的錯(cuò)誤：
Exception in thread "main" java.util.ConcurrentModificationException
第一種情況是在使用Iterator的時(shí)候?qū)线M(jìn)行操作，使用集合的remove或者add方法，第二種情況是在不同線程同時(shí)使用Iterator遍歷，使用Iterator的remove方法，這兩種情況都會(huì)拋出ConcurrentModificationException異常。
下面看ArrayList的源碼：
int expectedModCount = modCount;
public Iterator<E> iterator() {
return new Itr();
}
private class Itr implements Iterator<E> {
public E next() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
int i = cursor;
if (i >= limit)
throw new NoSuchElementException();
Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
if (i >= elementData.length)
throw new ConcurrentModificationException();
cursor = i + 1;
return (E) elementData[lastRet = i];
}
public void remove() {
if (lastRet < 0)
throw new IllegalStateException();
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
try {
ArrayList.this.remove(lastRet);
cursor = lastRet;
lastRet = -1;
expectedModCount = modCount;
limit--;
} catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
}
可以看到，每次使用next取值之前，都會(huì)檢查modCount和expectedModCount是否相等，expectedModCount是Itr的成員變量，在創(chuàng)建Iterator對(duì)象時(shí)它的值就確定了，Itr類內(nèi)部也不會(huì)對(duì)它進(jìn)行操作，它的值時(shí)不變的，就是創(chuàng)建對(duì)象時(shí)的modCount，拋出異常說明modCount的值變了。再回頭去看一下ArrayList的add,remove方法，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，每次操作modCount的值都會(huì)改變，所以才導(dǎo)致異常。
如果是單線程中，可以使用Iterator的remove方法，可以看到，在remove方法刪除元素之后，又對(duì)expectedModCount進(jìn)行了復(fù)制，所以并不會(huì)報(bào)錯(cuò)。
如果是多線程，Iterator對(duì)象是不同的，一個(gè)對(duì)象調(diào)用remove之后，僅僅能保證本對(duì)象中的expectedModCount正確，其他線程中的Iterator對(duì)象是不會(huì)更新的，所以仍然會(huì)報(bào)錯(cuò)。多線程可以用concurrent包下的并發(fā)容器，
另外，數(shù)組實(shí)現(xiàn)的ArrayList，查找會(huì)比較快，但是數(shù)據(jù)量大的時(shí)候插入數(shù)據(jù)會(huì)比較慢，因?yàn)槊看味家截悢?shù)據(jù)，而鏈表實(shí)現(xiàn)的LinkedList，查找時(shí)需要對(duì)鏈表進(jìn)行遍歷嗎，所以會(huì)比較慢，而插入數(shù)據(jù)很快。
