Java提高——常见Java集合实现细节（3）

Map和List

map的values方法

map集合是一个关联数组，它包含两组值：一组是key组成的集合，因为map集合的key不允许重复，且map不会保存key加入的顺序，因此这些key可以组成一个Set集合；另一组是value组成的集合，因为value完全可以重复，且map可以根据key来获取对应的value，所以这些value可以组成一个List集合。

HashMap的values方法的源码：

public Collection<V> values() {
   //获取values实例变量
   Collection<V> vs = values;
   //如果vs == null，将返回new values（）对象
   return (vs != null ? vs : (values = new Values()));
}

private final class Values extends AbstractCollection<V> {
    public Iterator<V> iterator() {
        return newValueIterator();
    }
    public int size() {
        return size;
    }
    public boolean contains(Object o) {
        return containsValue(o);
    }
    public void clear() {
        HashMap.this.clear();
    }
}

Iterator<V> newValueIterator()   {
    return new ValueIterator();
}

private final class ValueIterator extends HashIterator<V> {
    public V next() {
        return nextEntry().value;
    }
}

综上HashMap的values（）方法表面上返回了一个Values对象，但这个对象不能添加元素。它的主要功能是用于遍历HashMap里的所有value。而遍历主要依赖于HashIterator的nextEntry()方法实现。每个Entry都持有一个引用变量指向下一个Entry.

TreeMap的 values方法的源码：

public Collection<V> values() {
    Collection<V> vs = values;
    return (vs != null) ? vs : (values = new Values());
}

class Values extends AbstractCollection<V> {
    public Iterator<V> iterator() {
    //以TreeMap中最小节点创建一个ValueIterator
     return new ValueIterator(getFirstEntry());
    }

    public int size() {
     //调用外部类的size()实例方法的返回值作为返回值
     return TreeMap.this.size();
    }

    public boolean contains(Object o) {
     //调用外部类的containsValue（o）实例方法的返回值作为返回值
     return TreeMap.this.containsValue(o);
    }

    public boolean remove(Object o) {
    //从TreeMap中最小的节点开始搜索，不断搜索下一个节点
    for (Entry<K,V> e = getFirstEntry(); e != null; e = successor(e)) {
            if (valEquals(e.getValue(), o)) {//如果找到指定节点
                deleteEntry(e);//执行删除
                return true;
            }
        }
        return false;
    }

    public void clear() {
     //调用外部类的clear（）实例方法来清空该集合
     TreeMap.this.clear();
    }
}

getFirstEntry：获取TreeMap底层“红黑树”最左边的“叶子节点”，也就是“红黑树”中最小的节点，即TreeMap中第一个节点。

final Entry<K,V> getFirstEntry() {
    Entry<K,V> p = root;
    if (p != null)
    //不断搜索左子节点，直到p成为最左子树的叶子节点
    while (p.left != null)
            p = p.left;
    return p;
}

successor：获取TreeMap中指定Entry(t)的下一个节点，也就是红黑树中大于t节点的最小节点。

static <K,V> TreeMap.Entry<K,V> successor(Entry<K,V> t) {
    if (t == null)
        return null;
   //如果其右子树存在，搜索右子树中最小的节点（也就是右子树最左的叶子节点）
   else if (t.right != null) {
       //先获取其右子节点
     Entry<K,V> p = t.right;
     //不断搜索左子节点，直到找到最左的叶子节点
     while (p.left != null)
            p = p.left;
        return p;
   //如果右子树不存在
    } else {
        Entry<K,V> p = t.parent;
        Entry<K,V> ch = t;
    //只要父节点存在，且ch是父节点的右节点
    //表明ch大于其父节点，循环一直继续    
    //直到父节点为null，或者ch变成父节点的子节点——此时父节点大于被搜索的节点
     while (p != null && ch == p.right) {
            ch = p;
            p = p.parent;
        }
        return p;
    }
}

归纳：不管是HashMap还是TreeMap，他们的values（）方法都可以返回其所有value组成的Collection集合——通常理解，这个Collection集合应该是一个List集合，因为map的多个value允许重复。但这两个map对象values（）方法返回的是一个不存储元素的Collection集合。当程序遍历Collection集合时，实际上就是遍历Map对象的value

Map和List的关系

从底层上看，Set和Map很相似；从用法上看，Map和List也有很大的相似。

1）Map接口提供了get（K key）方法允许Map对象根据key来获得value

2）List接口提供了get（int index）方法允许List对象根据元素索引来取得value

可以说List相当于所有key都是int类型的Map。Map和List只是用法上有些许相似之处，在底层实现上并没有太大的相似之处。、

ArrayList和LinkedList

List的实现主要有三个类：ArrayList，Vector，LinkedList

其中Vector有一个子类Stack，这个Stack子类仅在Vector父类的基础上增加了5个方法，这5个方法将Vector扩展成一个Stack，本质上，Stack依然是一个Vector。

Stack源码：

public class Stack<E> extends Vector<E> {
    /**
     * 无参构造器
     */
    public Stack() {
    }

    /**
     * 实现向栈定添加元素的方法
     */
    public E push(E item) {
        addElement(item);//调用父类的方法来添加元素

        return item;
    }

    /**
     * 实现出栈的方法（位于栈顶的方法将被弹出栈）
     */
    public synchronized E pop() {
        E       obj;
        int     len = size();

        obj = peek();
        removeElementAt(len - 1);

        return obj;
    }

    /**
     * 取出最后一个元素，但不会弹出栈
     */
    public synchronized E peek() {
        int     len = size();
    //如果不包含任何元素，直接抛出异常
        if (len == 0)
            throw new EmptyStackException();
        return elementAt(len - 1);
    }
   //集合不包含任何元素就是空栈
    public boolean empty() {
        return size() == 0;
    }

    public synchronized int search(Object o) {
     //获取o在集合中的位置
     int i = lastIndexOf(o);

        if (i >= 0) {
       //用集合长度减去o在集合中的位置，就得到该元素到栈顶的距离。
       return size() - i;
        }
        return -1;
    }

    private static final long serialVersionUID = 1224463164541339165L;
}

从源码可以看出Stack新增的5个方法中有3个使用了synchronized修饰——那些需要操作集合元素的方法都被添加了synchronized修饰，也就是说Stack是一个线程安全的类，这也是为了让Stack和Vector保持一致——Vector也是一个线程线圈类。

如今不在推荐使用Stack类，而是使用Deque实现类。在无需保证线程安全的情况下，完全可以使用ArrayDeque代替Stack。

Deque接口代表双端队列这种数据结构，即具有队列先进先出的性质，也具有栈的性质。即是队列也是栈。

ArrayList和ArrayDeque底层都是基于Java数组实现的，只是提供的方法不同而已。

Vector和ArrayList

Vector和ArrayList都实现了List接口，底层都是基于Java数组存储集合元素。

ArrayList源码：

//采用elementData数组保存集合元素
private transient Object[] elementData;

Vector源码：

//采用elementData元素保存集合
protected Object[] elementData;

ArrayList使用了transient修饰，保证了系统序列化ArrayList对象不会直接序列化elementData数组，而是通过writeObject和readObject实现定制序列化。从序列化的角度看，ArrayList的实现比Vector安全。

除此之外，Vector其实就是ArrayList的线程安全版，ArrayList和Vector大部分实现方法都相同，只是Vector方法增加了synchronized修饰。

下面看看两者的一些源码：

ArrayList的add方法：

public void add(int index, E element) {
    rangeCheckForAdd(index);
  //保证ArrayList底层数组可以保存所有集合元素
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
  //将elementData数组中index位置之后的所有元素向后移动一位   
  //也就是将elementData数组中的index位置空出来   
   System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                     size - index);
  //将新元素放进elementData数组的index位置
  elementData[index] = element;
    size++;
}

//如果添加位置大于集合长度或小于0，抛出异常
private void rangeCheckForAdd(int index) {
    if (index > size || index < 0)
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}

Vector的add方法:

public void add(int index, E element) {
    insertElementAt(element, index);
}

public synchronized void insertElementAt(E obj, int index) {
    modCount++;//增加集合的修改次数
   //如果添加位置大于集合长度抛出异常
   if (index > elementCount) {
        throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index
                                                 + " > " + elementCount);
    }
   //保证ArrayList底层数组可以保存所有集合
   ensureCapacityHelper(elementCount + 1);

 //将elementData数组中index位置之后的所有元素向后移动一位   
 //也就是将elementData数组中的index位置空出来  

 System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, elementCount - index); elementData[index] = obj;//将新元素放入elementData数组的index位置 elementCount++;}

发现只是Vector的方法多了synchronized方法修饰。

ArrayList序列化实现比Vector序列化实现更加安全，因此Vector基本被ArrayList代替。Vector的唯一好处就是他是线程安全的。但是ArrayList也可以被包装成线程安全的。

ArrayList和LinkedList实现差异

List代表一种线性表的数据结构，

ArrayList则是一种顺序存储的线性表，底层采用数组保存每个集合元素，

LinkedList则是一种链式存储的线性表，本质是一个双向链表，但是它不仅实现了List接口还实现了Deque接口，也就是说LinkedList既可以当成双向链表来使用，也可以当成队列来使用，还可以当成栈来使用。（Deque代表双端队列，同时具有队列和栈的特性）。

从上可知：ArrayList底层采用数组保存集合元素，则ArrayList插入时需要完成以下两件事：

1）底层数组长度大于集合元素个数

2）插入位置之后的元素“整体搬家”向后一格

当删除ArrayList集合中指定位置元素时，程序也要进行“整体搬家”，而且还要将被删除的数组元素赋为null。

public E remove(int index) {
   //如果index大于或等于size，抛出异常
   rangeCheck(index);

    modCount++;
   //保证index索引处的元素
   E oldValue = elementData(index);
   //计算需要“整体搬家”的元素个数
    int numMoved = size - index - 1;
    //当numMoved大于0时，开始搬家
   if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                         numMoved);
    elementData[--size] = null; // 释放被删除的元素，以免GC回收该元素
    return oldValue;
}

对于ArrayList而言，添加、删除都需要”整体搬家“，因此性能十分差

public E get(int index) {
    rangeCheck(index);
    checkForComodification();
    return ArrayList.this.elementData(offset + index);
}

E elementData(int index) {
    return (E) elementData[index];
}

当时获取元素的性能和数组几乎相同，非常快。

LinkedList本质上是一个双向链表：

添加节点的方式：

使用如下内部类来保存每个集合元素：

private static class Node<E> {
    E item;//集合元素
    Node<E> next;//保存指向下一个链表节点的引用
    Node<E> prev;//保存指向上一个链表节点的引用
   //普通构造器
    Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
        this.item = element;
        this.next = next;
        this.prev = prev;
    }
}

在指定位置插入新节点：

public void add(int index, E element) {
    checkPositionIndex(index);
   //如果index == size直接在header之前插入新节点
    if (index == size)
        linkLast(element);
    else//否则在index索引处的节点之前插入新节点
        linkBefore(element, node(index));
}

void linkLast(E e) {
    final Node<E> l = last;
    final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
    last = newNode;
    if (l == null)
        first = newNode;
    else
        l.next = newNode;
    size++;
    modCount++;
}

在指定节点（succ）前添加一个新的节点
void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
    // assert succ != null;
   //创建一个新节点，新节点的下一个节点指向succ，上一个节点指向succ的上一个节点
  final Node<E> pred = succ.prev;
    final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
   //让succ的上一个节点向后指向新节点
   succ.prev = newNode;
    if (pred == null)
        first = newNode;
    else
        pred.next = newNode;
    size++;
    modCount++;
}

获取指定索引处的节点
Node<E> node(int index) {
    // assert isElementIndex(index);
    //如果index<size/2
    if (index < (size >> 1)) {
        Node<E> x = first;//从链表的头部开始搜索
        for (int i = 0; i < index; i++)
            x = x.next;
        return x;
    } else {//如果index>size/2
        Node<E> x = last;//从链表的尾部开始搜索
        for (int i = size - 1; i > index; i--)
            x = x.prev;
        return x;
    }
}

LinkedList的get方法只是对上面的node方法进行封装：

public E get(int index) {
    checkElementIndex(index);
    return node(index).item;
}

无论如何LinkedList为了获取指定索引处的元素都是比较麻烦的，系统开销也会比较大。

但是简单的插入操作就比较简单，只要修改了几个节点里的prev，next引用的值就可以了。

删除节点也必须先通过node方法找到索引处的节点，然后修改前一个节点的next引用和后一个节点的prev引用：

public E remove(int index) {
    checkElementIndex(index);
    return unlink(node(index));
}

E unlink(Node<E> x) {
    // assert x != null;
    final E element = x.item;//先保存x节点的元素
    final Node<E> next = x.next;
    final Node<E> prev = x.prev;
   //将被删除的元素的两个引用、元素都赋值为null，以便垃圾回收
    if (prev == null) {
        first = next;
    } else {
        prev.next = next;
        x.prev = null;
    }

    if (next == null) {
        last = prev;
    } else {
        next.prev = prev;
        x.next = null;
    }

    x.item = null;
    size--;
    modCount++;
    return element;
}

ArrayList和LinkedList性能分析

ArrayList性能总体上优于LinkedList。

当程序需要通过get（int index）方法获取List集合指定索引处的元素时，ArrayList性能大大优于LinkedList，因为ArrayList底层是数组来保存集合元素，所以调用get方法获取指定索引处的元素时，底层实际上调用elementData[index]来返回该元素，因此性能非常好。

当程序调用add（int index，Object obj）向List集合中添加元素时，ArrayList必须对底层数组进行“整体搬家”。如果数组不够长，还要重新创建一个长度为原来1.5倍的数组，再由垃圾回收机制回收原来的数组，因此系统开销比较大；对于LinkedList而言，它的主要系统开销集中在node（int index ）方法上，必须一个一个的搜索过去，直到找到index元素，再在此元素之前插入新元素。即便如此，执行该方法时LinkedList性能依然优于ArrayList

Iterator迭代器

Iterator迭代器是一个接口，专门用于迭代各种Collection集合，包括Set和List

List和Set在实现Iterator的差异——>导致删除集合元素的不同表现