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大数据成神之路-Java高级特性增强(集合框架ArrayListheVector)

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导语
本部分网络上有大量的资源可以参考,在这里做了部分整理,感谢前辈的付出,每节文章末尾有引用列表,源码推荐看JDK1.8以后的版本,注意甄别~

多线程

集合框架

NIO

Java并发容器

1Java中的集合框架

 

ArrayList/Vector

LinkedList

HashMap

HashSet

LinkedHashMap

本章内容参考引用部分网上的内容为主,网上有大量优质的资源,作者在这里做了整理如下:

ArrayList/Vector

ArrayList简介

ArrayList 的底层是数组队列,相当于动态数组。与 Java 中的数组相比,它的容量能动态增长。在添加大量元素前,应用程序可以使用ensureCapacity操作来增加 ArrayList 实例的容量。这可以减少递增式再分配的数量。

它继承于 AbstractList,实现了 List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable 这些接口。

在我们学数据结构的时候就知道了线性表的顺序存储,插入删除元素的时间复杂度为O(n),求表长以及增加元素,取第 i 元素的时间复杂度为O(1)

ArrayList 继承了AbstractList,实现了List。它是一个数组队列,提供了相关的添加、删除、修改、遍历等功能。

ArrayList 实现了RandomAccess 接口,即提供了随机访问功能。RandomAccess 是 Java 中用来被 List 实现,为 List 提供快速访问功能的。在 ArrayList 中,我们即可以通过元素的序号快速获取元素对象,这就是快速随机访问。

ArrayList 实现了Cloneable 接口,即覆盖了函数 clone(),能被克隆。

ArrayList 实现java.io.Serializable 接口,这意味着ArrayList支持序列化,能通过序列化去传输。

和Vector 不同,ArrayList 中的操作不是线程安全的!所以,建议在单线程中才使用 ArrayList,而在多线程中可以选择 Vector 或者 CopyOnWriteArrayList。

2ArrayList源码

 

类结构:

//通过ArrayList实现的接口可知,其支持随机访问,能被克隆,支持序列化

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>

implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable

{

//序列版本号

private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;

 

//默认初始容量

private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

 

//被用于空实例的共享空数组实例

private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

 

//被用于默认大小的空实例的共享数组实例。其与EMPTY_ELEMENTDATA的区别是:当我们向数组中添加第一个元素时,知道数组该扩充多少。

private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

 

/**

* Object[]类型的数组,保存了添加到ArrayList中的元素。ArrayList的容量是该Object[]类型数组的长度

* 当第一个元素被添加时,任何空ArrayList中的elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA将会被

* 扩充到DEFAULT_CAPACITY(默认容量)。

*/

transient Object[] elementData; //非private是为了方便嵌套类的访问

 

// ArrayList的大小(指其所含的元素个数)

private int size;

……

}

ArrayList包含了两个重要的对象:elementData 和 size。

(01) elementData 是”Object[] 类型的数组”,它保存了添加到ArrayList中的元素。实际上,elementData是个动态数组,我们能通过构造函数 ArrayList(int initialCapacity)来执行它的初始容量为initialCapacity;如果通过不含参数的构造函数ArrayList()来创建 ArrayList,则elementData的容量默认是10。elementData数组的大小会根据ArrayList容量的增长而动态的增长,具 体的增长方式,请参考源码分析中的ensureCapacity()函数。

(02) size 则是动态数组的实际大小。

构造函数

ArrayList提供了三种方式的构造器,可以构造一个默认初始容量为10的空列表、构造一个指定初始容量的空列表以及构造一个包含指定collection的元素的列表,这些元素按照该collection的迭代器返回的顺序排列的。

/**

* 构造一个指定初始容量的空列表

* @param initialCapacity ArrayList的初始容量

* @throws IllegalArgumentException 如果给定的初始容量为负值

*/

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);

}

}

// 构造一个默认初始容量为10的空列表

public ArrayList() {

this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;

}

/**

* 构造一个包含指定collection的元素的列表,这些元素按照该collection的迭代器返回的顺序排列的

* @param c 包含用于去构造ArrayList的元素的collection

* @throws NullPointerException 如果指定的collection为空

*/

public ArrayList(Collection<? extends E> c) {

elementData = c.toArray();

if ((size = elementData.length) != 0) {

// c.toArray()可能不会正确地返回一个 Object[]数组,那么使用Arrays.copyOf()方法

if (elementData.getClass() != Object[].class)

//Arrays.copyOf()返回一个 Object[].class类型的,大小为size,元素为elementData[0,…,size-1]

elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);

} else {

// replace with empty array.

this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;

}

}

// 构造一个默认初始容量为10的空列表

public ArrayList() {

this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA; //DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {}

}

//而在在JDK1.6中,其构造函数为

public ArrayList() {

this(10); //public ArrayList(int initialCapacity)中this.elementData = new Object[initialCapacity];

}

ArrayList构造一个默认初始容量为10的空列表:

1) 初始情况:elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {}; size = 0;

2) 当向数组中添加第一个元素时,通过add(E e)方法中调用的ensureCapacityInternal(size + 1)方法,即ensureCapacityInternal(1);

3) 在ensureCapacityInternal(int minCapacity)方法中,可得的minCapacity=DEFAULT_CAPACITY=10,然后再调用ensureExplicitCapacity(minCapacity)方法,即ensureExplicitCapacity(10);

4) 在ensureExplicitCapacity(minCapacity)方法中调用grow(minCapacity)方法,即grow(10),此处为真正具体的数组扩容的算法,在此方法中,通过elementData = Arrays.copyOf(elementData, 10)具体实现了elementData数组初始容量为10的构造。

调整数组的容量

从add()与addAll()方法中可以看出,每当向数组中添加元素时,都要去检查添加元素后的个数是否会超出当前数组的长度,如果超出,数组将会进行扩容,以满足添加数据的需求。数组扩容实质上是通过私有的方法ensureCapacityInternal(int minCapacity) -> ensureExplicitCapacity(int minCapacity) -> grow(int minCapacity)来实现的,但在jdk1.8中,向用户提供了一个public的方法ensureCapacity(int minCapacity)使用户可以手动的设置ArrayList实例的容量,以减少递增式再分配的数量。此处与jdk1.6中直接通过一个公开的方法ensureCapacity(int minCapacity)来实现数组容量的调整有区别

/**

* public方法,让用户能手动设置ArrayList的容量

* @param minCapacity 期望的最小容量

*/

public void ensureCapacity(int minCapacity) {

int minExpand = (elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)

// any size if not default element table

? 0

// larger than default for default empty table. It’s already

// supposed to be at default size.

: DEFAULT_CAPACITY;

 

if (minCapacity > minExpand) {

ensureExplicitCapacity(minCapacity);

}

}

 

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {

//当elementData为空时,ArrayList的初始容量最小为DEFAULT_CAPACITY(10)

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);

}

 

//数组可被分配的最大容量;当需要的数组尺寸超过VM的限制时,可能导致OutOfMemoryError

private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE – 8;

 

/**

* 增加数组的容量,确保它至少能容纳指定的最小容量的元素量

* @param minCapacity 期望的最小容量

*/

private void grow(int minCapacity) {

// overflow-conscious code

int oldCapacity = elementData.length;

//注意此处扩充capacity的方式是将其向右一位再加上原来的数,实际上是扩充了1.5倍

int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);

if (newCapacity – minCapacity < 0)

newCapacity = minCapacity;

if (newCapacity – MAX_ARRAY_SIZE > 0)

newCapacity = hugeCapacity(minCapacity); //设置数组可被分配的最大容量

// 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;

}

为什么ArrayList自动容量扩充选择扩充1.5倍?

这种算法构造出来的新的数组长度的增量都会比上一次大( 而且是越来越大) ,即认为客户需要增加的数据很多,而避免频繁newInstance 的情况。

添加元素

ArrayList提供了add(E e)、add(int index, E element)、addAll(Collection<? extends E> c)、addAll(int index, Collection<? extends E> c)这些添加元素的方法

//将指定的元素(E e)添加到此列表的尾部

public boolean add(E e) {

ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!

elementData[size++] = e;

return true;

}

//将指定的元素(E e)插入到列表的指定位置(index)

public void add(int index, E element) {

rangeCheckForAdd(index); //判断参数index是否IndexOutOfBoundsException

ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!! 如果数组长度不足,将进行扩容

System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,

size – index); //将源数组中从index位置开始后的size-index个元素统一后移一位

elementData[index] = element;

size++;

}

/**

* 按照指定collection的迭代器所返回的元素顺序,将该collection中的所有元素添加到此列表的尾部

* @throws NullPointerException if the specified collection is null

*/

public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {

Object[] a = c.toArray();

int numNew = a.length;

ensureCapacityInternal(size + numNew); // Increments modCount

//将数组a[0,…,numNew-1]复制到数组elementData[size,…,size+numNew-1]

System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);

size += numNew;

return numNew != 0;

}

/**

* 从指定的位置开始,将指定collection中的所有元素插入到此列表中,新元素的顺序为指定collection的迭代器所返回的元素顺序

* @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}

* @throws NullPointerException if the specified collection is null

*/

public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {

rangeCheckForAdd(index); //判断参数index是否IndexOutOfBoundsException

 

Object[] a = c.toArray();

int numNew = a.length;

ensureCapacityInternal(size + numNew); // Increments modCount

 

int numMoved = size – index;

if (numMoved > 0)

//先将数组elementData[index,…,index+numMoved-1]复制到elementData[index+numMoved,…,index+2*numMoved-1]

//即,将源数组中从index位置开始的后numMoved个元素统一后移numNew位

System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew,

numMoved);

//再将数组a[0,…,numNew-1]复制到数组elementData[index,…,index+numNew-1]

System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);

size += numNew;

return numNew != 0;

}

删除元素

ArrayList提供了remove(int index)、remove(Object o)、clear()、removeRange(int fromIndex, int toIndex)、removeAll(Collection<?> c)、retainAll(Collection<?> c)这些删除元素的方法。

/**

* 移除此列表中指定位置上的元素

* @param index 需被移除的元素的索引

* @return the element 被移除的元素值

* @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}

*/

public E remove(int index) {

rangeCheck(index); //判断index是否 <= size

 

modCount++;

E oldValue = elementData(index);

//将数组elementData中index位置之后的所有元素向前移一位

int numMoved = size – index – 1;

if (numMoved > 0)

System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,

numMoved);

elementData[–size] = null; //将原数组最后一个位置置为null,由GC清理

 

return oldValue;

}

 

//移除ArrayList中首次出现的指定元素(如果存在),ArrayList中允许存放重复的元素

public boolean remove(Object o) {

// 由于ArrayList中允许存放null,因此下面通过两种情况来分别处理。

if (o == null) {

for (int index = 0; index < size; index++)

if (elementData[index] == null) {

fastRemove(index); //私有的移除方法,跳过index参数的边界检查以及不返回任何值

return true;

}

} else {

for (int index = 0; index < size; index++)

if (o.equals(elementData[index])) {

fastRemove(index);

return true;

}

}

return false;

}

 

//私有的删除指定位置元素的方法,跳过index参数的边界检查以及不返回任何值

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

}

 

//清空ArrayList,将全部的元素设为null

public void clear() {

modCount++;

 

// clear to let GC do its work

for (int i = 0; i < size; i++)

elementData[i] = null;

 

size = 0;

}

 

//删除ArrayList中从fromIndex(包含)到toIndex(不包含)之间所有的元素,共移除了toIndex-fromIndex个元素

protected void removeRange(int fromIndex, int toIndex) {

modCount++;

int numMoved = size – toIndex; //需向前移动的元素的个数

System.arraycopy(elementData, toIndex, elementData, fromIndex,

numMoved);

 

// clear to let GC do its work

int newSize = size – (toIndex-fromIndex);

for (int i = newSize; i < size; i++) {

elementData[i] = null;

}

size = newSize;

}

 

//删除ArrayList中包含在指定容器c中的所有元素

public boolean removeAll(Collection<?> c) {

Objects.requireNonNull(c); //检查指定的对象c是否为空

return batchRemove(c, false);

}

 

//移除ArrayList中不包含在指定容器c中的所有元素,与removeAll(Collection<?> c)正好相反

public boolean retainAll(Collection<?> c) {

Objects.requireNonNull(c);

return batchRemove(c, true);

}

 

private boolean batchRemove(Collection<?> c, boolean complement) {

final Object[] elementData = this.elementData;

int r = 0, w = 0; //读写双指针

boolean modified = false;

try {

for (; r < size; r++)

if (c.contains(elementData[r]) == complement) //判断指定容器c中是否含有elementData[r]元素

elementData[w++] = elementData[r];

} finally {

// Preserve behavioral compatibility with AbstractCollection,

// even if c.contains() throws.

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;

}

修改元素

ArrayList提供了set(int index, E element)方法来修改指定索引上的值。

//将指定索引上的值替换为新值,并返回旧值

public E set(int index, E element) {

rangeCheck(index);

 

E oldValue = elementData(index);

elementData[index] = element;

return oldValue;

}

查找元素

ArrayList提供了get(int index)、contains(Object o)、indexOf(Object o)、lastIndexOf(Object o)、get(int index)这些查找元素的方法。

//判断ArrayList中是否包含Object(o)

public boolean contains(Object o) {

return indexOf(o) >= 0;

}

 

//正向查找,返回ArrayList中元素Object o第一次出现的位置,如果元素不存在,则返回-1

public int indexOf(Object o) {

if (o == null) {

for (int i = 0; i < size; i++)

if (elementData[i]==null)

return i;

} else {

for (int i = 0; i < size; i++)

if (o.equals(elementData[i]))

return i;

}

return -1;

}

 

//逆向查找,返回ArrayList中元素Object o最后一次出现的位置,如果元素不存在,则返回-1

public int lastIndexOf(Object o) {

if (o == null) {

for (int i = size-1; i >= 0; i–)

if (elementData[i]==null)

return i;

} else {

for (int i = size-1; i >= 0; i–)

if (o.equals(elementData[i]))

return i;

}

return -1;

}

 

@SuppressWarnings(“unchecked”)

E elementData(int index) {

return (E) elementData[index];

}

 

//返回指定索引处的值

public E get(int index) {

rangeCheck(index);

 

return elementData(index); //实质上return (E) elementData[index]

}

其他public方法

trimToSize()、size()、isEmpty()、clone()、toArray()、toArray(T[] a)

//将底层数组的容量调整为当前列表保存的实际元素的大小的功能

public void trimToSize() {

modCount++;

if (size < elementData.length) {

elementData = (size == 0)

? EMPTY_ELEMENTDATA

: Arrays.copyOf(elementData, size);

}

}

 

//返回ArrayList的大小(元素个数)

public int size() {

return size;

}

 

//判断ArrayList是否为空

public boolean isEmpty() {

return size == 0;

}

 

//返回此 ArrayList实例的浅拷贝

public Object clone() {

try {

ArrayList<?> v = (ArrayList<?>) super.clone();

v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);

v.modCount = 0;

return v;

} catch (CloneNotSupportedException e) {

// this shouldn’t happen, since we are Cloneable

throw new InternalError(e);

}

}

 

//返回一个包含ArrayList中所有元素的数组

public Object[] toArray() {

return Arrays.copyOf(elementData, size);

}

 

//如果给定的参数数组长度足够,则将ArrayList中所有元素按序存放于参数数组中,并返回

//如果给定的参数数组长度小于ArrayList的长度,则返回一个新分配的、长度等于ArrayList长度的、包含ArrayList中所有元素的新数组

@SuppressWarnings(“unchecked”)

public <T> T[] toArray(T[] a) {

if (a.length < size)

// Make a new array of a’s runtime type, but my contents:

return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());

System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, size);

if (a.length > size)

a[size] = null;

return a;

}

ArrayList的四种遍历方式

1)通过迭代器Iterator遍历:

Iterator iter = list.iterator();

while (iter.hasNext())

{

System.out.println(iter.next());

}

2)通过迭代器ListIterator遍历:

ListIterator<String> lIter = list.listIterator();

//顺向遍历

while(lIter.hasNext()){

System.out.println(lIter.next());

}

//逆向遍历

while(lIter.hasPrevious()){

System.out.println(lIter.previous());

}

 

Iterator与ListIterator主要的区别:

①Iterator可以应用于所有的集合,Set、List和Map和这些集合的子类型。而ListIterator只能用于List及其子类型;

②Iterator只能实现顺序向后遍历,ListIterator可实现顺序向后遍历和逆向(顺序向前)遍历;

③Iterator只能实现remove操作,ListIterator可以实现remove操作,add操作,set操作。

3)随机访问,通过索引值去遍历,由于ArrayList实现了RandomAccess接口

int size = list.size();

for (int i=0; i&lt;size; i++)

{

System.out.println(list.get(i));

}

4)foreach循环遍历

for(String str:list) {

System.out.println(str);

}

foreach与迭代器:在Java SE5引入了新的被称为Iterable接口,该接口包含一个能够产生Iterator的Iterator()方法,并且Iterable接口被foreach用来在序列中移动。因此如果你创建了任何实现Iterable的类,都可以将它用于foreach语句中。

Fail-Fast机制

ArrayList也采用了快速失败的机制,通过记录modCount参数来实现。在面对并发的修改时,迭代器很快就会完全失败,而不是冒着在将来某个不确定时间发生任意不确定行为的风险。

 
3Vector

Vector也是实现于 List 接口,底层数据结构和 ArrayList 类似,也是一个动态数组存放数据。不过是在 add() 方法的时候使用 synchronized 进行同步写数据,但是开销较大,所以 Vector 是一个同步容器并不是一个并发容器。

以下是 add() 方法:

public synchronized boolean add(E e) {

modCount++;

ensureCapacityHelper(elementCount + 1);

elementData[elementCount++] = e;

return true;

}

以及指定位置插入数据:

public void add(int index, E element) {

insertElementAt(element, index);

}

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++;

}

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