数学知识巧学JCF(Java Collections framework)

　

　不知你是否还记得高中我们学过的集合，映射，函数，数学确实很牛逼，拿它来研究java集合类，轻而易举的就把知识理解了。本篇文章适合初学java集合类的小白，也适合补充知识漏缺的学习者，同时也是面试者可以参考的一份资料。

数学知识

回顾一下之前所学的知识，结合我多年的高中数学教学经验，相信你会对某些知识有一些新的感悟。

集合：一般地，我们把研究对象统称为元素（element）,把一些元素组成的总体叫做集合（set）。

对于一个给定的集合，其具有的特征：

确定性：集合中的元素都是确定的。

互异性：集合中的元素都是不同的。

无序性：集合中的元素的顺序是无序的。

映射：一般地，我们有：

设A,B是两个非空的集合，如果按照某一个确定的对应关系f.是对应集合A中的任意一个元素x,在集合B中都有唯一确定的元素y与之对应，那么就称对应f:A—>B为集合A到集合B的一个映射（mapping）。

其实简单的来讲，何谓映射，就是函数上将的关系对应，例如：

函数 f(x)=x^2  那么每一个x都有唯一的y与之对应，这就是映射关系的一个模型。

而方程 x^2+y^2=1，这个很明显是圆心为（0,0）的半径为1的圆，任取一个x可能会有一个或者两个y与之对应，这就不能称为映射，进而不能称为函数。（1,0）或者（-1,0）这时候的x只有唯一的确定的y和它对应。

集合类的学习

集合类产生的原因：在一般的情况下，我们在写程序时并不知道将需要多少个对象，或者是否需要更加复杂的方式存储对象，显然使用具有固定长度的数组已经不能解决这个问题了。所以java 实用类库提供了一套相当完整的容器类来解决这个问题。

基本概念

java容器类类库的用途是“保存对象”，可将其划分为两个不同的概念：

1）collection.独立元素的序列。主要包含List(序列),Set（集合）,Queue（队列）

List：按照插入的顺序保存元素；

Set：不能有重复的元素；

Queue:按照排队规则来确定对象产生的顺序（通常与它们被插入的顺序相同）；

2）Map：一组成对的“键值对”对象，允许我们使用键来查找值。

针对经常使用的类库，我们只列出List,Set,Map之间的继承关系：

List

List接口在Collection的基础上添加了大量的方法，使得可以在List的中间插入和删除元素。

继承自List的子类有ArrayList,   LinkedList ,Vector三类。

list的特征：

有序的Collection
允许重复的元素，允许空的元素。
插入类似的数据：{1,2,4,{5,2},1,3};

ArrayList（类似于顺序表）

其主要用于查找，对于删除和插入，耗时巨大。ArrayList是以数组实现的列表，不支持同步。

优点：利用索引位置可以快速的定位访问

   适合变动不大，主要用于查询的数据

         和java的数组相比较，其容量是可以动态调整的。

     缺点：不适合指定位置的插入，删除操作。

--ArrayList在元素填满容器是会自动扩充容器大小的50%

ArrayListTest 代码分析：

add()方法，添加元素，默认是在后面添加。

add(index,value),在指定索引处添加元素。会进行元素的移动。源码如下：

public void add(int index, E element) {
        rangeCheckForAdd(index);
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                         size - index);
        elementData[index] = element;
        size++;
 }

remove(index)删除指定位置上的元素。源码如下：

public E remove(int index) {
        rangeCheck(index);
        modCount++;
        E oldValue = 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;
    }

　　从源码可以分析出，在ArrayList进行插入和删除的时候，会进行类似顺序表的操作，移动元素，空出位置，然后插入元素。删除：依次移动后面的元素覆盖指定位置的元素。这就会大大减慢ArrayList插入和删除的效率。

举一个应用的例子，更好的理解ArrayList:

public class ArrayListTest {
  public static void main(String[] args) {
     //泛型的用法，只允许Integer类型的元素插入。
    ArrayList<Integer> arrayList =new ArrayList<Integer>();
  //增加元素 
           arrayList.add(2);
    arrayList.add(3);
    arrayList.add(4);
    arrayList.add(5);
    arrayList.add(4);
    arrayList.add(null);//ArrayList允许空值插入，
    arrayList.add(new Integer(3));
    System.out.println(arrayList);//   [2, 3, 4, 5, 4, null, 3]
  //查看元素的个数
           System.out.println(arrayList.size());// 7
    arrayList.remove(0);
    System.out.println(arrayList);//  [3, 4, 5, 4, null, 3]
    arrayList.add(1, new Integer(9)); 
    System.out.println(arrayList);//   [3, 9, 4, 5, 4, null, 3]
    System.out.println("-----------遍历方法-------");
    ArrayList<Integer> as=new ArrayList<Integer>(100000);
    for(int i=0;i<100000;i++){
      as.add(i);
    }
    traverseByIterator(as);
    traverseByFor(as);
    traverseByForEach(as);
  }
  public static void traverseByIterator(ArrayList<Integer>al){
    System.out.println("---------迭代器遍历-------------");
    long startTime=System.nanoTime();//开始时间
    Iterator it=al.iterator();
    while(it.hasNext()){//
      it.next();
    }
    long endTime=System.nanoTime();//结束时间
    System.out.println((endTime-startTime)+"纳秒");
  }
  public static void traverseByFor(ArrayList<Integer>al){
    System.out.println("---------索引遍历-------------");
    long startTime=System.nanoTime();//开始时间
    for(int i=0;i<al.size();i++) al.get(i);
    long endTime=System.nanoTime();//结束时间
    System.out.println((endTime-startTime)+"纳秒");
  }
  public static void traverseByForEach(ArrayList<Integer>al){
    System.out.println("---------Foreach遍历-------------");
    long startTime=System.nanoTime();//开始时间
    for(Integer temp:al);
    long endTime=System.nanoTime();//结束时间
    System.out.println((endTime-startTime)+"纳秒");
  }
}
-----------遍历方法-------
---------迭代器遍历-------------
10407039纳秒
---------索引遍历-------------
7094470纳秒
---------Foreach遍历-------------
9063813纳秒
可以看到利用索引遍历，相对来说是快一些。

迭代器 Iterator

hasNext()  判断是否有下一个元素
next()    获取下一个元素
remove ()  删除某个元素

LinkedList:（主要用于增加和修改！）

    --以双向链表实现的列表，不支持同步。

    --可以被当做堆栈、队列和双端队列进行操作

    --顺序访问高效，随机访问较差，中间插入和删除高效

    --适合经常变化的数据

    addFirst()在头部添加元素

    add(3,10);将10插入到第四个位置上

    remove（3）删除第四个位置的元素

代码详解：

public class LinkedListTest {
  public static void main(String[] args) {
    LinkedList<Integer> linkedList=new LinkedList<Integer>();
    linkedList.add(2);
    linkedList.add(3);
    linkedList.add(9);
    linkedList.add(6);
    linkedList.add(7);
    System.out.println(linkedList);
    //linkedList.addFirst(1);
    //linkedList.addLast(10);
    //System.out.println(linkedList);
    linkedList.add(3, 4);
    System.out.println(linkedList);
    System.out.println(linkedList.get(4));
    LinkedList<Integer> as=new LinkedList<Integer>();
    for(int i=0;i<100000;i++){
      as.add(i);
    }
    traverseByIterator(as);
    traverseByFor(as);
    traverseByForEach(as);
  }
  public static void traverseByIterator(LinkedList<Integer>al){
    System.out.println("---------迭代器遍历-------------");
    long startTime=System.nanoTime();//开始时间
    Iterator it=al.iterator();
    while(it.hasNext()){
      it.next();
    }
    long endTime=System.nanoTime();//结束时间
    System.out.println((endTime-startTime)+"纳秒");
  }
  public static void traverseByFor(LinkedList<Integer>al){
    System.out.println("---------索引遍历-------------");
    long startTime=System.nanoTime();//开始时间
    for(int i=0;i<al.size();i++) al.get(i);
    long endTime=System.nanoTime();//结束时间
    System.out.println((endTime-startTime)+"纳秒");
  }
  public static void traverseByForEach(LinkedList<Integer>al){
    System.out.println("---------Foreach遍历-------------");
    long startTime=System.nanoTime();//开始时间
    for(Integer temp:al);
    long endTime=System.nanoTime();//结束时间
    System.out.println((endTime-startTime)+"纳秒");
  }
}
---------迭代器遍历-------------
6562423纳秒
---------索引遍历-------------
4565606240纳秒
---------Foreach遍历-------------
4594622纳秒
可以看出使用索引遍历，对于linkedList真的很费时间！

add(index,value)源码分析：我们可以看到，这就是双引用（双指针）的赋值操作。

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++;
    }

remove(index)源码分析：同样，这也是对引用的更改操作，方面多了！

E unlink(Node<E> x) {
        // assert x != null;
        final E element = x.item;
        final Node<E> next = x.next;
        final Node<E> prev = x.prev;

        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;
    }

get(index)源码分析：利用指针挨个往后查找，直到找到位置为index的元素。当然了，找的时候也是要注意方法的，比如说利用二分查找。

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;
        }
    }

Vector

-和ArrayList类似，可变数组实现的列表

    -Vector同步，适合在多线程下使用

    -原先不属于JCF框架，属于java最早的数据结构，性能较差

    -从JDK1.2开始，Vector被重写，并纳入JCF中

    -官方文档建议在非同步的情况下，优先采用ArrayList

    其实vector类似于ArrayList,所以在一般情况下，我们能优先使用ArrayList,在同步的情况下，是可以考虑使用Vector

代码例子：

public class VectorTest {
  public static void main(String[] args) {
    Vector<Integer> vs=new Vector<Integer>();
    vs.add(1);
    vs.add(4);
    vs.add(3);
    vs.add(5);
    vs.add(2);
    vs.add(6);
    vs.add(9);
    System.out.println(vs);
    System.out.println(vs.get(0));
    vs.remove(5);
    System.out.println(vs);
    /*Integer []a=new Integer[vs.size()];
    vs.toArray(a);
    for(Integer m:a){
      System.out.print(m+" ");
    }*/
    Vector <Integer> as=new Vector <Integer>(100000);
    for(int i=0;i<1000000;i++){
      as.add(i);
    }
    traverseByIterator(as);
    traverseByFor(as);
    traverseByForEach(as);
    traverseEm(as);
  }
  public static void traverseByIterator(Vector<Integer>al){
    System.out.println("---------迭代器遍历-------------");
    long startTime=System.nanoTime();//开始时间
    Iterator it=al.iterator();
    while(it.hasNext()){
      it.next();
    }
    long endTime=System.nanoTime();//结束时间
    System.out.println((endTime-startTime)+"纳秒");
  }
  public static void traverseByFor(Vector<Integer>al){
    System.out.println("---------索引遍历-------------");
    long startTime=System.nanoTime();//开始时间
    for(int i=0;i<al.size();i++) al.get(i);
    long endTime=System.nanoTime();//结束时间
    System.out.println((endTime-startTime)+"纳秒");
  }
  public static void traverseByForEach(Vector<Integer>al){
    System.out.println("---------Foreach遍历-------------");
    long startTime=System.nanoTime();//开始时间
    for(Integer temp:al){
      temp.intValue();
    }
    long endTime=System.nanoTime();//结束时间
    System.out.println((endTime-startTime)+"纳秒");
  }
  public static void traverseEm(Vector<Integer>al){
    System.out.println("---------Enumeration遍历-------------");
    long startTime=System.nanoTime();//开始时间
    for(Enumeration <Integer> ei=al.elements();ei.hasMoreElements();){
      ei.nextElement();
    }
    long endTime=System.nanoTime();//结束时间
    System.out.println((endTime-startTime)+"纳秒");
  }
}
---------迭代器遍历-------------
28927404纳秒
---------索引遍历-------------
32122768纳秒
---------Foreach遍历-------------
25191768纳秒
---------Enumeration遍历-------------
26901515纳秒
可以看到Foreach遍历要快于其他的遍历方法。

add(index,value)源码剖析：这个和ArrayList类似，需要进行元素的复制，所以很慢

public synchronized void insertElementAt(E obj, int index) {
        modCount++;
        if (index > elementCount) {
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index
                                                     + " > " + elementCount);
        }
        ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, elementCount - index);
        elementData[index] = obj;
        elementCount++;
    }

get(index)源码剖析：可以看到，直接根据元素的下表返回数组元素。非常快！

public synchronized E get(int index) {
        if (index >= elementCount)
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);

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

其实List这部分内容用的数学知识不是很多，但是set和Map确实是类似于数学模型的概念。期待后续Set，Map的学习。

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