Java集合实现了常用数据结构，是开发中最常用的功能之一。
Java集合主要的功能由三个接口：List、Set、Queue以及Collection组成。
常见接口:
- List : 列表，顺序存储，可重复
- Set ：集合，与数学中的集合有同样的特性：元素不能重复
- Queue：队列
- Collection：所有Java集合的接口，定义了“集合”的常用接口
结构结构
常用集合
- ArrayList 一种可以动态增长或缩减的索引集合，底层通过
Ojbect[]
- LinkedList 高效插入删除的有序序列，是双向链表，使用node节点存储数据；它又实现了双向队列
- ArrayDeque 用循环数组实现的双端队列
- HashSet 一种没有元素的无序集合
- TreeSet 有序的集合
- LinkedHashSet 能记录插入顺序的集合
- PriorityQueue 优先队列
- HashMap 存储键/值关系数据
- TreeMap 能根据键的值排序的键/值关系数据数据
- LinkedHashMap 可以键/值记录添加顺序
Java集合框架结构
如何选用这些数据结构
通常选用基于我们需要处理的数据的特点以及集合的特点来确定的。
如果只是简单存储一组数据，如几个用户的信息，这时选用ArrayList是比较合适的，如果数据频繁添加、删除那选用LinkedList是比较合适的。
如果想存储一组数据且不希望重复，那选用Set集合合适的。
如果希望添加插入的数据能够有顺序，那选择TreeSet是比较合适的，当然TreeMap也可以。
使用
ArrayList
import org.junit.Test;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;
import java.util.Collections;
import java.util.List;
public class ArrayListTest {
@Test
public void test() throws Exception {
ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();
// 更推荐使用面向接口的使用方式，方便以后切换
//List<Integer> list = new ArrayList<>();
list.add(3);
list.add(2);
list.add(1);
// for打印
for (Integer e : list) {
System.out.println(e);
}
// 排序 小->大
Collections.sort(list);
System.out.println(list); // 打印
// 排序 大->小
List<Integer> list2 = Arrays.asList(2,3,5);
Collections.sort(list2,(a,b)->b-a);
// 排序 大->小
list2.sort((a, b) -> b - a); // 功能同上
System.out.println(list2);
}
}
// 输出
3
2
1
[1, 2, 3]
[5, 3, 2]
Set
import org.junit.Test;
import java.util.HashSet;
import java.util.Objects;
import java.util.Set;
public class SetTest {
static class User {
String name;
int age;
public User(String name, int age) {
this.name = name;
this.age = age;
}
@Override
public int hashCode() {
return Objects.hashCode(this.name);
}
// 逻辑根据名字判断User是否相同
@Override
public boolean equals(Object obj) {
if (obj == null) return false;
if (obj instanceof User) {
User u = (User) obj;
return this.name != null
? this.name.equals(u.name)
: u.name == null;
}
return false;
}
@Override
public String toString() {
return "User{" +
"name='" + name + '\'' +
", age=" + age +
'}';
}
}
@Test
public void test() throws Exception {
Set<Integer> set = new HashSet<>();
set.add(1);
set.add(2);
set.add(3);
set.add(3);
System.out.println(set);
// 添加重复的人
Set<User> users = new HashSet<>();
users.add(new User("张三",18));
// 重复，不进行添加
users.add(new User("张三",19));
users.add(new User("李四",20));
for (User u : users) {
System.out.println(u);
}
}
}
// 输出
[1, 2, 3]
User{name='null', age=18}
User{name='李四', age=20}
HashMap
import org.junit.Test;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
public class HashMapTest {
@Test
public void test() throws Exception {
HashMap<String,String> map = new HashMap<>();
map.put("张三","110");
map.put("李四","119");
map.put("王二","120");
// 键重复，更新原有的
map.put("王二","139");
for (Map.Entry<String, String> entry : map.entrySet()) {
System.out.println(entry.getKey()+" ---> "+entry.getValue());
}
}
}
// 打印
李四 ---> 119
张三 ---> 110
王二 ---> 139
源码分析
基于JDK1.8。
不重要的方法已经清除，保留的方法已经注释。
ArrayList
package java.util;
import java.util.function.Consumer;
import java.util.function.Predicate;
import java.util.function.UnaryOperator;
import sun.misc.SharedSecrets;
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
/**
* 默认容量
*/
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
/**
* 空数组，用作初始化
*/
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
* 共享空数组
*/
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
* 存放数据数
*/
transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
/**
* 数组大小，elementData存储元素数量同步
*/
private int size;
/**
* 构造器
*/
public ArrayList(int initialCapacity) {
if (initialCapacity > 0) {
this.elementData = new Object[initialCapacity];
} else if (initialCapacity == 0) {
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
} else { // inittialCapatity < 0 抛出异常
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
initialCapacity);
}
}
/**
* 构造器
*/
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
/**
* 构造器
*/
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
elementData = c.toArray(); // c!= null
if ((size = elementData.length) != 0) {
if (elementData.getClass() != Object[].class)
// 不是一个一个取值赋值给elementData，copyOf使用System.arrayCopy(), arrayCopy使用本地方法（JNI）效率很高
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
} else {
// replace with empty array.
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
}
/**
* 去掉数组（elementData）中不存数据的部分
*/
public void trimToSize() {
modCount++;
if (size < elementData.length) {
elementData = (size == 0)
? EMPTY_ELEMENTDATA
: Arrays.copyOf(elementData, size);
}
}
/**
* 调整List大小，可以扩容和缩容，缩容时最小容量不小于10
*/
public void ensureCapacity(int minCapacity) {
int minExpand = (elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)
? 0
: DEFAULT_CAPACITY;
// 小于最小容量不调整，因此最小容量不会小于10
if (minCapacity > minExpand) {
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
}
/**
* 最大容量
*/
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
/**
* 动态扩容方法， 容量为之前的1.5倍 oldCapacity + (oldCapacity >> 1)
*/
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);
}
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
if (minCapacity < 0) // overflow
throw new OutOfMemoryError();
return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
Integer.MAX_VALUE :
MAX_ARRAY_SIZE;
}
/**
* 获取list大小
*/
public int size() {
return size;
}
/**
* 判断list是否为空
*/
public boolean isEmpty() {
return size == 0;
}
// 每次取出元素操作时都会调用此方法对Ojbect数组原型进行类型转换
E elementData(int index) {
return (E) elementData[index];
}
/**
* 获取元素
*/
public E get(int index) {
rangeCheck(index); // 检查是否越界
return elementData(index);
}
/**
* 添加元素
*/
public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
}
/**
* 删除
*/
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;
return oldValue;
}
/**
* 两个list做差集
*/
public boolean retainAll(Collection<?> c) {
Objects.requireNonNull(c);
return batchRemove(c, true);
}
/**
* 批量移除
*/
private boolean batchRemove(Collection<?> c, boolean complement) {
final Object[] elementData = this.elementData;
int r = 0, w = 0;
boolean modified = false;
try {
for (; r < size; r++)
if (c.contains(elementData[r]) == complement)
elementData[w++] = elementData[r];
} finally {
if (r != size) {
System.arraycopy(elementData, r,
elementData, w,
size - r);
w += size - r;
}
if (w != size) {
// clear to let GC do its work
for (int i = w; i < size; i++)
elementData[i] = null;
modCount += size - w;
size = w;
modified = true;
}
}
return modified;
}
@Override
public void forEach(Consumer<? super E> action) {
Objects.requireNonNull(action);
final int expectedModCount = modCount;
@SuppressWarnings("unchecked")
final E[] elementData = (E[]) this.elementData;
final int size = this.size;
for (int i=0; modCount == expectedModCount && i < size; i++) {
// 调用回调 （e）->{ //操作e }
action.accept(elementData[i]);
}
// 遍历过程禁止修改list！
if (modCount != expectedModCount) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
/**
* 移除步骤：
* 1. 标记移除
* 2. 修改线程
* 3. 移动元素
* 4. 清除尾部元素
*/
@Override
public boolean removeIf(Predicate<? super E> filter) {
Objects.requireNonNull(filter);
int removeCount = 0;
final BitSet removeSet = new BitSet(size);
final int expectedModCount = modCount;
final int size = this.size;
// 标记元素
for (int i=0; modCount == expectedModCount && i < size; i++) {
@SuppressWarnings("unchecked")
final E element = (E) elementData[i];
if (filter.test(element)) {
removeSet.set(i);
removeCount++;
}
}
if (modCount != expectedModCount) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
// shift surviving elements left over the spaces left by removed elements
final boolean anyToRemove = removeCount > 0;
if (anyToRemove) {
final int newSize = size - removeCount;
// 移动元素 例如： [1][2][3] size=2 移动后 [1][3][3]
for (int i=0, j=0; (i < size) && (j < newSize); i++, j++) {
i = removeSet.nextClearBit(i);
elementData[j] = elementData[i];
}
// 清除尾部元素
for (int k=newSize; k < size; k++) {
elementData[k] = null; // Let gc do its work
}
// 更新size
this.size = newSize;
if (modCount != expectedModCount) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
modCount++;
}
return anyToRemove;
}
}
HashMap
底层数据结构：数组链表+红黑树
默认的容量为：16（1<<4）
扩容的条件：size>=容量*加载因子
扩容大小：旧容量2倍（newCap = oldCap << 1）
树化（terrify）的条件
- 容量长度大于等于64
- 链表成都大于8
树化的过程
- 把普通节点转换为TreeNode
- 调用treeify进行树化
- 调整节点
- 左旋右旋
put导致死循环的原因。在JDK1.7中插入元素使用头插法，插入的时候不需要遍历哈希桶，在多线程下这样可能形成循环链表。JDK8采用尾插法，循环找到最后一个节点，然后在最后一个节点插入元素。
存储结构
public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {
/**
* 默认容量16
*/
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
/**
* 最大容量，1 << 30 = 1073741824
*/
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
/**
* 默认加载因子，是决定存储容量扩容的关键指标，计算公式： size/总容量
*/
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
/**
* 小于这个值无法使用红黑树，HashMap容量不推荐为奇数，比这个数小后树退化为数组
* 红黑树扩展时也参考这个属性
*/
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
/**
* 容量小于这个值红黑树将退化为数组存储
*/
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
/**
* 将数组转化为红黑树推荐的容量
*/
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
/**
* 使用数组存储的数据结构，node节点
*/
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash;
final K key;
V value;
Node<K,V> next;
Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
this.hash = hash;
this.key = key;
this.value = value;
this.next = next;
}
}
/**
* 计算对象的hash值，是hash code分配更均匀，减少冲突几率
*/
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
/**
* 计算2的幂次方表容量
* 也就是说表容量只能为： ... 4 8 16 32 64 128 256 ... 1024 ... 1073741824
*/
static final int tableSizeFor(int cap) {
int n = cap - 1;
n |= n >>> 1;
n |= n >>> 2;
n |= n >>> 4;
n |= n >>> 8;
n |= n >>> 16;
return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}
/* ---------------- Fields -------------- */
/**
* 数组存储结构，默认第一次使用时会分配空间
*/
transient Node<K,V>[] table;
/**
* 键值对数量
*/
transient int size;
/**
* 对table修改的次数，调整table时改变 —— rehash、remove、add等操作
* 用来判断在读取操作过程中是否出现table修改
*/
transient int modCount;
/**
* 扩容时的临界值，计算为 capacity*loadFactor
*/
int threshold;
/**
* 加载因子, 默认0.75
*/
final float loadFactor;
/* ---------------- Public operations -------------- */
/**
* 默认构造函数，table容量为16
*/
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // 0.75
}
/**
* 获取存储键值对数量
*/
public int size() {
return size;
}
/**
* 判空
*/
public boolean isEmpty() {
return size == 0;
}
/**
* 通过key获取value
* 下面的getNode是核心方法。
*/
public V get(Object key) {
Node<K,V> e;
return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}
/**
* 获取操作
*/
final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
Node<K,V>[] tab;
Node<K,V> first, e;
int n; // n table长度
K k;
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 && (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
if (first.hash == hash && ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return first;
if ((e = first.next) != null) {
// 根据存储结构来获取数据
// 红黑树，调用getTreeNode
if (first instanceof TreeNode)
return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
// 遍历链表
do {
//较key查询value
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
return null;
}
/**
* 添加数据
*/
public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
/**
* Implements Map.put and related methods.
*
* @param hash hash for key
* @param key the key
* @param value the value to put
* @param onlyIfAbsent if true, don't change existing value
* @param evict if false, the table is in creation mode.
*/
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
// table未初始化会执行
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
// 存放值
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)// 判断通过hash计算出的位置是否有值
// 没有就在该位置（i）创建一个node并赋值
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {// 这里时计算出的位置有值存在
Node<K,V> e; K k;
if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
// 判断hash值、key相同，认为
e = p;
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
// 遍历哈希桶
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
// 遍历到桶最后一个元素(链表最后一个元素)
if ((e = p.next) == null) {
// 添加元素
p.next = newNode(hash, key, value, null);
// 判断，只有哈希桶至少为8个的时候才进行树化，TREEIFY_THRESHOLD默认为8
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
// 判断键值是否相同
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
// 下一个元素
p = e;
}
}
// 更新值
if (e != null) { // existing mapping for key —— 存在键的映射
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
++modCount;
// 超出HashMap存放元素的阈值threshold = capacity * loadFactor（0.75）
if (++size > threshold)
// 调整Hash存在空间大小
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
/**
* Initializes or doubles table size. If null, allocates in
* accord with initial capacity target held in field threshold.
* Otherwise, because we are using power-of-two expansion, the
* elements from each bin must either stay at same index, or move
* with a power of two offset in the new table.
*
* @return the table
*/
final Node<K,V>[] resize() {
Node<K,V>[] oldTab = table;
// 旧容量，为哈希桶长度
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
int oldThr = threshold;
int newCap, newThr = 0;
// 这个if用来保证HashMap阈值threshold不超限
if (oldCap > 0) {
// 判断是否超出最大容量，到最大容量不再扩容
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
// 阈值设置整型最大值
threshold = Integer.MAX_VALUE;
// 返回并不再调整大小
return oldTab;
}
// 在容量范围内
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
newThr = oldThr << 1; // double threshold 为原先的两倍
}
else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
newCap = oldThr;
else { // zero initial threshold signifies using defaults
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
// 计算加载因子，设置新的阈值 阈值=新容量*加载因子
if (newThr == 0) {
float ft = (float)newCap * loadFactor;
newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
(int)ft : Integer.MAX_VALUE);
}
threshold = newThr;
// 新的哈希桶
@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
table = newTab;
// 将旧桶的元素更新到新桶
if (oldTab != null) {
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) {
oldTab[j] = null;
if (e.next == null)
// 旧桶中的值移动到新桶
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
else if (e instanceof TreeNode)
// 执行红黑树操作
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
else { // preserve order - 翻转顺序
Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
Node<K,V> next;
do {
next = e.next;
if ((e.hash & oldCap) == 0) {
if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
}
else {
if (hiTail == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
}
} while ((e = next) != null);
if (loTail != null) {
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
return newTab;
}
/**
* 树化方法
* Replaces all linked nodes in bin at index for given hash unless
* table is too small, in which case resizes instead.
*/
final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {
int n, index; Node<K,V> e;
if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
resize();
else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
do {
TreeNode<K,V> p = replacementTreeNode(e, null);
if (tl == null)
hd = p;
else {
p.prev = tl;
tl.next = p;
}
tl = p;
} while ((e = e.next) != null);
if ((tab[index] = hd) != null)
hd.treeify(tab);
}
}
/* ------------------------------------------------------------ */
// Tree bins
/**
* 红黑树
*
* Entry for Tree bins. Extends LinkedHashMap.Entry (which in turn
* extends Node) so can be used as extension of either regular or
* linked node.
*/
static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {
TreeNode<K,V> parent; // red-black tree links
TreeNode<K,V> left;
TreeNode<K,V> right;
TreeNode<K,V> prev; // needed to unlink next upon deletion
boolean red;
TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
super(hash, key, val, next);
}
}
}
(完)
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