Collection 和 Map接口及其實作類總結

Collection 和 Map接口及其實作類總結

Collection接口

Collection是最基本的集合接口，一個Collection代表一組Object，即Collection的元素（Elements）。一些Collection允許相同的元素而另一些不行。一些能排序而另一些不行。Java SDK不提供直接繼承自Collection的類，Java SDK提供的類都是繼承自Collection的“子接口”如List和Set。

所有實作Collection接口的類都必須提供兩個标準的構造函數：無參數的構造函數用于建立一個空的Collection，有一個Collection參數的構造函數用于建立一個新的Collection，這個新的Collection與傳入的Collection有相同的元素。後一個構造函數允許使用者複制一個Collection。

如何周遊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，該方法傳回一個疊代子，使用該疊代子即可逐一通路Collection中每一個元素。典型的用法如下：

Iterator it = collection.iterator(); // 獲得一個疊代子

while(it.hasNext()) {

Object obj = it.next(); // 得到下一個元素

}

由Collection接口派生的兩個接口僅為List和Set。

Collection

├List

│├LinkedList

│├ArrayList

│└Vector

│ └Stack

└Set

Map

├Hashtable

├HashMap

└WeakHashMap

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List接口

List接口對Collection進行了簡單的擴充，它的具體實作類常用的有ArrayList和LinkedList。你可以将任何東西放到一個List容器中，并在需要時從中取出。ArrayList從其命名中可以看出它是一種類似數組的形式進行存儲，是以它的随機通路速度極快，而LinkedList的内部實作是連結清單，它适合于在連結清單中間需要頻繁進行插入和删除操作。在具體應用時可以根據需要自由選擇。前面說的Iterator隻能對容器進行向前周遊，而ListIterator則繼承了Iterator的思想，并提供了對List進行雙向周遊的方法。

List是有序的Collection，使用此接口能夠精确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，類似于數組下标）來通路List中的元素，這類似于Java的數組。

和下面要提到的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，傳回一個ListIterator接口，和标準的Iterator接口相比，ListIterator多了一些add()之類的方法，允許添加，删除，設定元素，還能向前或向後周遊。

實作List接口的常用類有LinkedList，ArrayList，Vector和Stack。

LinkedList類

LinkedList實作了List接口，允許null元素。此外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可被用作堆棧（stack），隊列（queue）或雙向隊列（deque）。

注意LinkedList沒有同步方法。如果多個線程同時通路一個List，則必須自己實作通路同步。一種解決方法是在建立List時構造一個同步的List：

List list = Collections.synchronizedList(new LinkedList(...));

ArrayList類

ArrayList實作了可變大小的數組。它允許所有元素，包括null。ArrayList沒有同步。

size，isEmpty，get，set方法運作時間為常數。但是add方法開銷為分攤的常數，添加n個元素需要O(n)的時間。其他的方法運作時間為線性。

每個ArrayList執行個體都有一個容量（Capacity），即用于存儲元素的數組的大小。這個容量可随着不斷添加新元素而自動增加，但是增長算法并沒有定義。當需要插入大量元素時，在插入前可以調用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

Vector非常類似ArrayList，但是Vector是同步的。由Vector建立的Iterator，雖然和ArrayList建立的Iterator是同一接口，但是，因為Vector是同步的，當一個Iterator被建立而且正在被使用，另一個線程改變了Vector的狀态（例如，添加或删除了一些元素），這時調用Iterator的方法時将抛出ConcurrentModificationException，是以必須捕獲該異常。

Stack類

Stack繼承自Vector，實作一個後進先出的堆棧。Stack提供5個額外的方法使得Vector得以被當作堆棧使用。基本的push和pop方法，還有peek方法得到棧頂的元素，empty方法測試堆棧是否為空，search方法檢測一個元素在堆棧中的位置。Stack剛建立後是空棧。

List接口各實作類的差別

ArrayList 和Vector是采用數組方式存儲資料，此數組元素數大于實際存儲的資料以便增加和插入元素，都允許直接序号索引元素，但是插入資料要設計到數組元素移動等記憶體操作，是以索引資料快插入資料慢，Vector由于使用了synchronized方法（線程安全）是以性能上比ArrayList要差，LinkedList使用雙向連結清單實作存儲，按序号索引資料需要進行向前或向後周遊，但是插入資料時隻需要記錄本項的前後項即可，是以插入數度較快！

同步性

Vector是同步的。這個類中的一些方法保證了Vector中的對象是線程安全的。而ArrayList則是異步的，是以ArrayList中的對象并不是線程安全的。因為同步的要求會影響執行的效率，是以如果你不需要線程安全的集合那麼使用ArrayList是一個很好的選擇，這樣可以避免由于同步帶來的不必要的性能開銷。

資料增長

從内部實作機制來講ArrayList和Vector都是使用數組(Array)來控制集合中的對象。當你向這兩種類型中增加元素的時候，如果元素的數目超出了内部數組目前的長度它們都需要擴充内部數組的長度，Vector預設情況下自動增長原來一倍的數組長度，ArrayList是原來的50%,是以最後你獲得的這個集合所占的空間總是比你實際需要的要大。是以如果你要在集合中儲存大量的資料那麼使用Vector有一些優勢，因為你可以通過設定集合的初始化大小來避免不必要的資源開銷。

使用模式

如果涉及到堆棧，隊列等操作，應該考慮用List，對于需要快速插入，删除元素，應該使用LinkedList，如果需要快速随機通路元素，應該使用ArrayList。在ArrayList和Vector中，從一個指定的位置（通過索引）查找資料或是在集合的末尾增加、移除一個元素所花費的時間是一樣的，這個時間我們用O(1)表示。但是，如果在集合的其他位置增加或移除元素那麼花費的時間會呈線形增長：O(n-i)，其中n代表集合中元素的個數，i代表元素增加或移除元素的索引位置。為什麼會這樣呢？以為在進行上述操作的時候集合中第i和第i個元素之後的所有元素都要執行位移的操作。這一切意味着什麼呢？

這意味着，你隻是查找特定位置的元素或隻在集合的末端增加、移除元素，那麼使用Vector或ArrayList都可以。如果是其他操作，你最好選擇其他的集合操作類。比如，LinkList集合類在增加或移除集合中任何位置的元素所花費的時間都是一樣的?O(1)，但它在索引一個元素的使用缺比較慢－O(i),其中i是索引的位置.使用ArrayList也很容易，因為你可以簡單的使用索引來代替建立iterator對象的操作。LinkList也會為每個插入的元素建立對象，所有你要明白它也會帶來額外的開銷。

最後，在《Practical Java》一書中Peter Haggar建議使用一個簡單的數組（Array）來代替Vector或ArrayList。尤其是對于執行效率要求高的程式更應如此。因為使用數組(Array)避免了同步、額外的方法調用和不必要的重新配置設定空間的操作。

盡量傳回接口而非實際的類型，如傳回List而非ArrayList，這樣如果以後需要将ArrayList換成LinkedList時，用戶端代碼不用改變。這就是針對抽象程式設計。

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Set接口

Set接口也是Collection的一種擴充，而與List不同的時，在Set中的對象元素不能重複，也就是說你不能把同樣的東西兩次放入同一個Set容器中。它的常用具體實作有HashSet和TreeSet類。HashSet能快速定位一個元素，但是你放到HashSet中的對象需要實作hashCode()方法，它使用了前面說過的哈希碼的算法。而TreeSet則将放入其中的元素按序存放，這就要求你放入其中的對象是可排序的，這就用到了集合架構提供的另外兩個實用類Comparable和Comparator。一個類是可排序的，它就應該實作Comparable接口。有時多個類具有相同的排序算法，那就不需要在每分别重複定義相同的排序算法，隻要實作Comparator接口即可。集合架構中還有兩個很實用的公用類：Collections和Arrays。Collections提供了對一個Collection容器進行諸如排序、複制、查找和填充等一些非常有用的方法，Arrays則是對一個數組進行類似的操作。

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的構造函數有一個限制條件，傳入的Collection參數不能包含重複的元素。

請注意：必須小心操作可變對象（Mutable Object）。如果一個Set中的可變元素改變了自身狀态導緻Object.equals(Object)=true将導緻一些問題。

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Map接口

Map是一種把鍵對象和值對象進行關聯的容器，而一個值對象又可以是一個Map，依次類推，這樣就可形成一個多級映射。對于鍵對象來說，像Set一樣，一個Map容器中的鍵對象不允許重複，這是為了保持查找結果的一緻性;如果有兩個鍵對象一樣，那你想得到那個鍵對象所對應的值對象時就有問題了，可能你得到的并不是你想的那個值對象，結果會造成混亂，是以鍵的唯一性很重要，也是符合集合的性質的。當然在使用過程中，某個鍵所對應的值對象可能會發生變化，這時會按照最後一次修改的值對象與鍵對應。對于值對象則沒有唯一性的要求。你可以将任意多個鍵都映射到一個值對象上，這不會發生任何問題（不過對你的使用卻可能會造成不便，你不知道你得到的到底是那一個鍵所對應的值對象）。Map有兩種比較常用的實作：HashMap和TreeMap。HashMap也用到了哈希碼的算法，以便快速查找一個鍵，TreeMap則是對鍵按序存放，是以它便有一些擴充的方法，比如firstKey(),lastKey()等，你還可以從TreeMap中指定一個範圍以取得其子Map。鍵和值的關聯很簡單，用pub(Object key,Object value)方法即可将一個鍵與一個值對象相關聯。用get(Object key)可得到與此key對象所對應的值對象。

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隻能映射一個value。Map接口提供3種集合的視圖，Map的内容可以被當作一組key集合，一組value集合，或者一組key-value映射。

Hashtable類

Hashtable繼承Map接口，實作一個key-value映射的哈希表。任何非空（non-null）的對象都可作為key或者value。

添加資料使用put(key, value)，取出資料使用get(key)，這兩個基本操作的時間開銷為常數。

Hashtable通過initial capacity和load factor兩個參數調整性能。通常預設的load factor 0.75較好地實作了時間和空間的均衡。增大load factor可以節省空間但相應的查找時間将增大，這會影響像get和put這樣的操作。

使用Hashtable的簡單示例如下，将1，2，3放到Hashtable中，他們的key分别是”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));

要取出一個數，比如2，用相應的key：

Integer n = (Integer)numbers.get(“two”);

System.out.println(“two = ” + n);

由于作為key的對象将通過計算其散列函數來确定與之對應的value的位置，是以任何作為key的對象都必須實作hashCode和equals方法。hashCode和equals方法繼承自根類Object，如果你用自定義的類當作key的話，要相當小心，按照散列函數的定義，如果兩個對象相同，即obj1.equals(obj2)=true，則它們的hashCode必須相同，但如果兩個對象不同，則它們的hashCode不一定不同，如果兩個不同對象的hashCode相同，這種現象稱為沖突，沖突會導緻操作哈希表的時間開銷增大，是以盡量定義好的hashCode()方法，能加快哈希表的操作。

如果相同的對象有不同的hashCode，對哈希表的操作會出現意想不到的結果（期待的get方法傳回null），要避免這種問題，隻需要牢記一條：要同時複寫equals方法和hashCode方法，而不要隻寫其中一個。

Hashtable是同步的。

HashMap類

HashMap和Hashtable類似，不同之處在于HashMap是非同步的，并且允許null，即null value和null key。，但是将HashMap視為Collection時（values()方法可傳回Collection），其疊代子操作時間開銷和HashMap的容量成比例。是以，如果疊代操作的性能相當重要的話，不要将HashMap的初始化容量設得過高，或者load factor過低。

WeakHashMap類

WeakHashMap是一種改進的HashMap，它對key實行“弱引用”，如果一個key不再被外部所引用，那麼該key可以被GC回收。

Hashtable類和HashMap類的差別

Hashtable和HashMap類有三個重要的不同之處。第一個不同主要是曆史原因。Hashtable是基于陳舊的Dictionary類的，HashMap是Java 1.2引進的Map接口的一個實作。

也許最重要的不同是Hashtable的方法是同步的，而HashMap的方法不是。這就意味着，雖然你可以不用采取任何特殊的行為就可以在一個多線程的應用程式中用一個Hashtable，但你必須同樣地為一個HashMap提供外同步。一個友善的方法就是利用Collections類的靜态的synchronizedMap()方法，它建立一個線程安全的Map對象，并把它作為一個封裝的對象來傳回。這個對象的方法可以讓你同步通路潛在的HashMap。這麼做的結果就是當你不需要同步時，你不能切斷Hashtable中的同步（比如在一個單線程的應用程式中），而且同步增加了很多處理費用。

第三點不同是，隻有HashMap可以讓你将空值作為一個表的條目的key或value。HashMap中隻有一條記錄可以是一個空的key，但任意數量的條目可以是空的value。這就是說，如果在表中沒有發現搜尋鍵，或者如果發現了搜尋鍵，但它是一個空的值，那麼get()将傳回null。如果有必要，用containKey()方法來差別這兩種情況。

一些資料建議，當需要同步時，用Hashtable，反之用HashMap。但是，因為在需要時，HashMap可以被同步，HashMap的功能比Hashtable的功能更多，而且它不是基于一個陳舊的類的，是以有人認為，在各種情況下，HashMap都優先于Hashtable。

關于Properties

有時侯，你可能想用一個hashtable來映射key的字元串到value的字元串。DOS、Windows和Unix中的環境字元串就有一些例子，如key的字元串PATH被映射到value的字元串C:\WINDOWS;C:\WINDOWS\SYSTEM。Hashtables是表示這些的一個簡單的方法，但Java提供了另外一種方法。

Java.util.Properties類是Hashtable的一個子類，設計用于String keys和values。Properties對象的用法同Hashtable的用法相象，但是類增加了兩個節省時間的方法，你應該知道。

Store()方法把一個Properties對象的内容以一種可讀的形式儲存到一個檔案中。Load()方法正好相反，用來讀取檔案，并設定Properties對象來包含keys和values。

注意，因為Properties擴充了Hashtable，你可以用超類的put()方法來添加不是String對象的keys和values。這是不可取的。另外，如果你将store()用于一個不包含String對象的Properties對象，store()将失敗。作為put()和get()的替代，你應該用setProperty()和getProperty()，它們用String參數。

posted on 2011-07-28 08:58 木子恺 閱讀( ...) 評論( ...) 編輯 收藏

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