Java 容器詳解：使用與案例
Java容器是一套工具，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和對(duì)象?？梢耘cC++的STL類比。Java容器也稱為Java Collection Framework (JCF)。除了存儲(chǔ)對(duì)象的容器之外，還提供了一套工具類，用于處理和操作容器中的對(duì)象?？傮w來說，這是一個(gè)框架，它包含了Java對(duì)象容器和工具類。
一、概覽
容器主要包括 Collection 和 Map 兩種，Collection 存儲(chǔ)著對(duì)象的集合，而 Map 存儲(chǔ)著鍵值對(duì)（兩個(gè)對(duì)象）的映射表。
Collection
1. Set
? TreeSet：基于紅黑樹實(shí)現(xiàn)，支持有序性操作，例如根據(jù)一個(gè)范圍查找元素的操作。但是查找效率不如 HashSet，HashSet 查找的時(shí)間復(fù)雜度為 O(1)，TreeSet 則為 O(logN)。
? HashSet：基于哈希表實(shí)現(xiàn)，支持快速查找，但不支持有序性操作。并且失去了元素的插入順序信息，也就是說使用 Iterator 遍歷 HashSet 得到的結(jié)果是不確定的。
? LinkedHashSet：具有 HashSet 的查找效率，并且內(nèi)部使用雙向鏈表維護(hù)元素的插入順序。
2. List
? ArrayList：基于動(dòng)態(tài)數(shù)組實(shí)現(xiàn)，支持隨機(jī)訪問。
? Vector：和 ArrayList 類似，但它是線程安全的。
? LinkedList：基于雙向鏈表實(shí)現(xiàn)，只能順序訪問，但是可以快速地在鏈表中間插入和刪除元素。不僅如此，LinkedList 還可以用作棧、隊(duì)列和雙向隊(duì)列。
3. Queue
? LinkedList：可以用它來實(shí)現(xiàn)雙向隊(duì)列。
? PriorityQueue：基于堆結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，可以用它來實(shí)現(xiàn)優(yōu)先隊(duì)列。
Map
? TreeMap：基于紅黑樹實(shí)現(xiàn)。
? HashMap：基于哈希表實(shí)現(xiàn)。
? HashTable：和 HashMap 類似，但它是線程安全的，這意味著同一時(shí)刻多個(gè)線程同時(shí)寫入 HashTable 不會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致。它是遺留類，不應(yīng)該去使用它，而是使用 ConcurrentHashMap 來支持線程安全，ConcurrentHashMap 的效率會(huì)更高，因?yàn)?ConcurrentHashMap 引入了分段鎖。
? LinkedHashMap：使用雙向鏈表來維護(hù)元素的順序，順序?yàn)椴迦腠樞蚧蛘咦罱钌偈褂茫↙RU）順序。
二、容器中的設(shè)計(jì)模式
迭代器模式
Collection 繼承了 Iterable 接口，其中的 iterator() 方法能夠產(chǎn)生一個(gè) Iterator 對(duì)象，通過這個(gè)對(duì)象就可以迭代遍歷 Collection 中的元素。
從 JDK 1.5 之后可以使用 foreach 方法來遍歷實(shí)現(xiàn)了 Iterable 接口的聚合對(duì)象。
List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("a");
list.add("b");
for (String item : list) {
? ? System.out.println(item);
}
適配器模式
java.util.Arrays#asList() 可以把數(shù)組類型轉(zhuǎn)換為 List 類型。
@SafeVarargs
public static <T> List<T> asList(T... a)
應(yīng)該注意的是 asList() 的參數(shù)為泛型的變長參數(shù)，不能使用基本類型數(shù)組作為參數(shù)，只能使用相應(yīng)的包裝類型數(shù)組。
Integer[] arr = {1, 2, 3};
List list = Arrays.asList(arr);
也可以使用以下方式調(diào)用 asList()：
List list = Arrays.asList(1, 2, 3);
三、源碼分析
如果沒有特別說明，以下源碼分析基于 JDK 1.8。
在 IDEA 中 double shift 調(diào)出 Search EveryWhere，查找源碼文件，找到之后就可以閱讀源碼。
ArrayList
1. 概覽
因?yàn)?ArrayList 是基于數(shù)組實(shí)現(xiàn)的，所以支持快速隨機(jī)訪問。RandomAccess 接口標(biāo)識(shí)著該類支持快速隨機(jī)訪問。
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
? ? ? ? implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
數(shù)組的默認(rèn)大小為 10。
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
2. 擴(kuò)容
添加元素時(shí)使用 ensureCapacityInternal() 方法來保證容量足夠，如果不夠時(shí)，需要使用 grow() 方法進(jìn)行擴(kuò)容，新容量的大小為 oldCapacity + (oldCapacity >> 1)，即 oldCapacity+oldCapacity/2。其中 oldCapacity >> 1 需要取整，所以新容量大約是舊容量的 1.5 倍左右。（oldCapacity 為偶數(shù)就是 1.5 倍，為奇數(shù)就是 1.5 倍-0.5）
擴(kuò)容操作需要調(diào)用 Arrays.copyOf() 把原數(shù)組整個(gè)復(fù)制到新數(shù)組中，這個(gè)操作代價(jià)很高，因此最好在創(chuàng)建 ArrayList 對(duì)象時(shí)就指定大概的容量大小，減少擴(kuò)容操作的次數(shù)。
public boolean add(E e) {
? ? ensureCapacityInternal(size + 1);??
? ? elementData[size++] = e;
? ? return true;
}
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
? ? if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
? ? ? ? minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
? ? }
? ? ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
? ? modCount++;
? ? if (minCapacity - elementData.length > 0)
? ? ? ? grow(minCapacity);
}
private void grow(int minCapacity) {
? ? int oldCapacity = elementData.length;
? ? int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
? ? if (newCapacity - minCapacity < 0)
? ? ? ? newCapacity = minCapacity;
? ? if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
? ? ? ? newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
? ? elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
3. 刪除元素
需要調(diào)用 System.arraycopy() 將 index+1 后面的元素都復(fù)制到 index 位置上，該操作的時(shí)間復(fù)雜度為 O(N)，可以看到 ArrayList 刪除元素的代價(jià)是非常高的。
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;
}
4. 序列化
ArrayList 基于數(shù)組實(shí)現(xiàn)，并且具有動(dòng)態(tài)擴(kuò)容特性，因此保存元素的數(shù)組不一定都會(huì)被使用，那么就沒必要全部進(jìn)行序列化。
保存元素的數(shù)組 elementData 使用 transient 修飾，該關(guān)鍵字聲明數(shù)組默認(rèn)不會(huì)被序列化。
transient Object[] elementData;?
ArrayList 實(shí)現(xiàn)了 writeObject() 和 readObject() 來控制只序列化數(shù)組中有元素填充那部分內(nèi)容。
private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
? ? throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
? ? elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
? ? s.defaultReadObject();
? ? s.readInt();?
? ? if (size > 0) {
? ? ? ? ensureCapacityInternal(size);
? ? ? ? Object[] a = elementData;
? ? ? ? for (int i=0; i<size; i++) {
? ? ? ? ? ? a[i] = s.readObject();
? ? ? ? }
? ? }
}
private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
? ? throws java.io.IOException{
? ? int expectedModCount = modCount;
? ? s.defaultWriteObject();
? ? s.writeInt(size);
? ? for (int i=0; i<size; i++) {
? ? ? ? s.writeObject(elementData[i]);
? ? }
? ? if (modCount != expectedModCount) {
? ? ? ? throw new ConcurrentModificationException();
? ? }
}
序列化時(shí)需要使用 ObjectOutputStream 的 writeObject() 將對(duì)象轉(zhuǎn)換為字節(jié)流并輸出。而 writeObject() 方法在傳入的對(duì)象存在 writeObject() 的時(shí)候會(huì)去反射調(diào)用該對(duì)象的 writeObject() 來實(shí)現(xiàn)序列化。反序列化使用的是 ObjectInputStream 的 readObject() 方法，原理類似。
ArrayList list = new ArrayList();
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(file));
oos.writeObject(list);
5. Fail-Fast
modCount 用來記錄 ArrayList 結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的次數(shù)。結(jié)構(gòu)發(fā)生變化是指添加或者刪除至少一個(gè)元素的所有操作，或者是調(diào)整內(nèi)部數(shù)組的大小，僅僅只是設(shè)置元素的值不算結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。
在進(jìn)行序列化或者迭代等操作時(shí)，需要比較操作前后 modCount 是否改變，如果改變了需要拋出 ConcurrentModificationException。代碼參考上節(jié)序列化中的 writeObject() 方法。
Vector
1. 同步
它的實(shí)現(xiàn)與 ArrayList 類似，但是使用了 synchronized 進(jìn)行同步。
public synchronized boolean add(E e) {
? ? modCount++;
? ? ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
? ? elementData[elementCount++] = e;
? ? return true;
}
public synchronized E get(int index) {
? ? if (index >= elementCount)
? ? ? ? throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
? ? return elementData(index);
}
2. 擴(kuò)容
Vector 的構(gòu)造函數(shù)可以傳入 capacityIncrement 參數(shù)，它的作用是在擴(kuò)容時(shí)使容量 capacity 增長 capacityIncrement。如果這個(gè)參數(shù)的值小于等于 0，擴(kuò)容時(shí)每次都令 capacity 為原來的兩倍。
public Vector(int initialCapacity, int capacityIncrement) {
? ? super();
? ? if (initialCapacity < 0)
? ? ? ? throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?initialCapacity);
? ? this.elementData = new Object[initialCapacity];
? ? this.capacityIncrement = capacityIncrement;
}
private void grow(int minCapacity) {
? ? int oldCapacity = elementData.length;
? ? int newCapacity = oldCapacity + ((capacityIncrement > 0) ?
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?capacityIncrement : oldCapacity);
? ? if (newCapacity - minCapacity < 0)
? ? ? ? newCapacity = minCapacity;
? ? if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
? ? ? ? newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
? ? elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
調(diào)用沒有 capacityIncrement 的構(gòu)造函數(shù)時(shí)，capacityIncrement 值被設(shè)置為 0，也就是說默認(rèn)情況下 Vector 每次擴(kuò)容時(shí)容量都會(huì)翻倍。
public Vector(int initialCapacity) {
? ? this(initialCapacity, 0);
}
public Vector() {
? ? this(10);
}
3. 與 ArrayList 的比較
? Vector 是同步的，因此開銷就比 ArrayList 要大，訪問速度更慢。最好使用 ArrayList 而不是 Vector，因?yàn)橥讲僮魍耆梢杂沙绦騿T自己來控制；
? Vector 每次擴(kuò)容請(qǐng)求其大小的 2 倍（也可以通過構(gòu)造函數(shù)設(shè)置增長的容量），而 ArrayList 是 1.5 倍。
4. 替代方案
可以使用 Collections.synchronizedList(); 得到一個(gè)線程安全的 ArrayList。
List<String> list = new ArrayList<>();
List<String> synList = Collections.synchronizedList(list);
也可以使用 concurrent 并發(fā)包下的 CopyOnWriteArrayList 類。
List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
CopyOnWriteArrayList
1. 讀寫分離
寫操作在一個(gè)復(fù)制的數(shù)組上進(jìn)行，讀操作還是在原始數(shù)組中進(jìn)行，讀寫分離，互不影響。
寫操作需要加鎖，防止并發(fā)寫入時(shí)導(dǎo)致寫入數(shù)據(jù)丟失。
寫操作結(jié)束之后需要把原始數(shù)組指向新的復(fù)制數(shù)組。
public boolean add(E e) {
? ? final ReentrantLock lock = this.lock;
? ? lock.lock();
? ? try {
? ? ? ? Object[] elements = getArray();
? ? ? ? int len = elements.length;
? ? ? ? Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
? ? ? ? newElements[len] = e;
? ? ? ? setArray(newElements);
? ? ? ? return true;
? ? } finally {
? ? ? ? lock.unlock();
? ? }
}
final void setArray(Object[] a) {
? ? array = a;
}
@SuppressWarnings("unchecked")
private E get(Object[] a, int index) {
? ? return (E) a[index];
}
2. 適用場景
CopyOnWriteArrayList 在寫操作的同時(shí)允許讀操作，大大提高了讀操作的性能，因此很適合讀多寫少的應(yīng)用場景。
但是 CopyOnWriteArrayList 有其缺陷：
? 內(nèi)存占用：在寫操作時(shí)需要復(fù)制一個(gè)新的數(shù)組，使得內(nèi)存占用為原來的兩倍左右；
? 數(shù)據(jù)不一致：讀操作不能讀取實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)，因?yàn)椴糠謱懖僮鞯臄?shù)據(jù)還未同步到讀數(shù)組中。
所以 CopyOnWriteArrayList 不適合內(nèi)存敏感以及對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高的場景。
LinkedList
1. 概覽
基于雙向鏈表實(shí)現(xiàn)，使用 Node 存儲(chǔ)鏈表節(jié)點(diǎn)信息。
private static class Node<E> {
? ? E item;
? ? Node<E> next;
? ? Node<E> prev;
}
每個(gè)鏈表存儲(chǔ)了 first 和 last 指針：
transient Node<E> first;
transient Node<E> last;
2. 與 ArrayList 的比較
ArrayList 基于動(dòng)態(tài)數(shù)組實(shí)現(xiàn)，LinkedList 基于雙向鏈表實(shí)現(xiàn)。ArrayList 和 LinkedList 的區(qū)別可以歸結(jié)為數(shù)組和鏈表的區(qū)別：
? 數(shù)組支持隨機(jī)訪問，但插入刪除的代價(jià)很高，需要移動(dòng)大量元素；
? 鏈表不支持隨機(jī)訪問，但插入刪除只需要改變指針。
HashMap
為了便于理解，以下源碼分析以 JDK 1.7 為主。
1. 存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)
內(nèi)部包含了一個(gè) Entry 類型的數(shù)組 table。Entry 存儲(chǔ)著鍵值對(duì)。它包含了四個(gè)字段，從 next 字段我們可以看出 Entry 是一個(gè)鏈表。即數(shù)組中的每個(gè)位置被當(dāng)成一個(gè)桶，一個(gè)桶存放一個(gè)鏈表。HashMap 使用拉鏈法來解決沖突，同一個(gè)鏈表中存放哈希值和散列桶取模運(yùn)算結(jié)果相同的 Entry。
transient Entry[] table;
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
? ? final K key;
? ? V value;
? ? Entry<K,V> next;
? ? int hash;
? ? Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
? ? ? ? value = v;
? ? ? ? next = n;
? ? ? ? key = k;
? ? ? ? hash = h;
? ? }
? ? public final K getKey() {
? ? ? ? return key;
? ? }
? ? public final V getValue() {
? ? ? ? return value;
? ? }
? ? public final V setValue(V newValue) {
? ? ? ? V oldValue = value;
? ? ? ? value = newValue;
? ? ? ? return oldValue;
? ? }
? ? public final boolean equals(Object o) {
? ? ? ? if (!(o instanceof Map.Entry))
? ? ? ? ? ? return false;
? ? ? ? Map.Entry e = (Map.Entry)o;
? ? ? ? Object k1 = getKey();
? ? ? ? Object k2 = e.getKey();
? ? ? ? if (k1 == k2 || (k1 != null && k1.equals(k2))) {
? ? ? ? ? ? Object v1 = getValue();
? ? ? ? ? ? Object v2 = e.getValue();
? ? ? ? ? ? if (v1 == v2 || (v1 != null && v1.equals(v2)))
? ? ? ? ? ? ? ? return true;
? ? ? ? }
? ? ? ? return false;
? ? }
? ? public final int hashCode() {
? ? ? ? return Objects.hashCode(getKey()) ^ Objects.hashCode(getValue());
? ? }
? ? public final String toString() {
? ? ? ? return getKey() + "=" + getValue();
? ? }
}
2. 拉鏈法的工作原理
HashMap<String, String> map = new HashMap<>();
map.put("K1", "V1");
map.put("K2", "V2");
map.put("K3", "V3");
? 新建一個(gè) HashMap，默認(rèn)大小為 16；
? 插入 <K1,V1> 鍵值對(duì)，先計(jì)算 K1 的 hashCode 為 115，使用除留余數(shù)法得到所在的桶下標(biāo) 115%16=3。
? 插入 <K2,V2> 鍵值對(duì)，先計(jì)算 K2 的 hashCode 為 118，使用除留余數(shù)法得到所在的桶下標(biāo) 118%16=6。
? 插入 <K3,V3> 鍵值對(duì)，先計(jì)算 K3 的 hashCode 為 118，使用除留余數(shù)法得到所在的桶下標(biāo) 118%16=6，插在 <K2,V2> 前面。
應(yīng)該注意到鏈表的插入是以頭插法方式進(jìn)行的，例如上面的 <K3,V3> 不是插在 <K2,V2> 后面，而是插入在鏈表頭部。
查找需要分成兩步進(jìn)行：
? 計(jì)算鍵值對(duì)所在的桶；
? 在鏈表上順序查找，時(shí)間復(fù)雜度顯然和鏈表的長度成正比。
3. put 操作
public V put(K key, V value) {
? ? if (table == EMPTY_TABLE) {
? ? ? ? inflateTable(threshold);
? ? }
? ? // 鍵為 null 單獨(dú)處理
? ? if (key == null)
? ? ? ? return putForNullKey(value);
? ? int hash = hash(key);
? ? // 確定桶下標(biāo)
? ? int i = indexFor(hash, table.length);
? ? // 先找出是否已經(jīng)存在鍵為 key 的鍵值對(duì)，如果存在的話就更新這個(gè)鍵值對(duì)的值為 value
? ? for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
? ? ? ? Object k;
? ? ? ? if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
? ? ? ? ? ? V oldValue = e.value;
? ? ? ? ? ? e.value = value;
? ? ? ? ? ? e.recordAccess(this);
? ? ? ? ? ? return oldValue;
? ? ? ? }
? ? }
? ? modCount++;
? ? // 插入新鍵值對(duì)
? ? addEntry(hash, key, value, i);
? ? return null;
}
HashMap 允許插入鍵為 null 的鍵值對(duì)。但是因?yàn)闊o法調(diào)用 null 的 hashCode() 方法，也就無法確定該鍵值對(duì)的桶下標(biāo)，只能通過強(qiáng)制指定一個(gè)桶下標(biāo)來存放。HashMap 使用第 0 個(gè)桶存放鍵為 null 的鍵值對(duì)。
private V putForNullKey(V value) {
? ? for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
? ? ? ? if (e.key == null) {
? ? ? ? ? ? V oldValue = e.value;
? ? ? ? ? ? e.value = value;
? ? ? ? ? ? e.recordAccess(this);
? ? ? ? ? ? return oldValue;
? ? ? ? }
? ? }
? ? modCount++;
? ? addEntry(0, null, value, 0);
? ? return null;
}
使用鏈表的頭插法，也就是新的鍵值對(duì)插在鏈表的頭部，而不是鏈表的尾部。
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
? ? if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
? ? ? ? resize(2 * table.length);
? ? ? ? hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
? ? ? ? bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
? ? }
? ? createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}
void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
? ? Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
? ? // 頭插法，鏈表頭部指向新的鍵值對(duì)
? ? table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
? ? size++;
}
Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
? ? value = v;
? ? next = n;
? ? key = k;
? ? hash = h;
}
4. 確定桶下標(biāo)
很多操作都需要先確定一個(gè)鍵值對(duì)所在的桶下標(biāo)。
int hash = hash(key);
int i = indexFor(hash, table.length);
4.1 計(jì)算 hash 值
final int hash(Object k) {
? ? int h = hashSeed;
? ? if (0 != h && k instanceof String) {
? ? ? ? return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);
? ? }
? ? h ^= k.hashCode();
? ? h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
? ? return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}
public final int hashCode() {
? ? return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
}
4.2 取模
令 x = 1<<4，即 x 為 2 的 4 次方，它具有以下性質(zhì)：
x? ?: 00010000
x-1 : 00001111
令一個(gè)數(shù) y 與 x-1 做與運(yùn)算，可以去除 y 位級(jí)表示的第 4 位以上數(shù)：
y? ? ? ?: 10110010
x-1? ? ?: 00001111
y&(x-1) : 00000010
這個(gè)性質(zhì)和 y 對(duì) x 取模效果是一樣的：
y? ?: 10110010
x? ?: 00010000
y%x : 00000010
我們知道，位運(yùn)算的代價(jià)比求模運(yùn)算小的多，因此在進(jìn)行這種計(jì)算時(shí)用位運(yùn)算的話能帶來更高的性能。
確定桶下標(biāo)的最后一步是將 key 的 hash 值對(duì)桶個(gè)數(shù)取模：hash%capacity，如果能保證 capacity 為 2 的 n 次方，那么就可以將這個(gè)操作轉(zhuǎn)換為位運(yùn)算。
static int indexFor(int h, int length) {
? ? return h & (length-1);
}
5. 擴(kuò)容-基本原理
設(shè) HashMap 的 table 長度為 M，需要存儲(chǔ)的鍵值對(duì)數(shù)量為 N，如果哈希函數(shù)滿足均勻性的要求，那么每條鏈表的長度大約為 N/M，因此查找的復(fù)雜度為 O(N/M)。
為了讓查找的成本降低，應(yīng)該使 N/M 盡可能小，因此需要保證 M 盡可能大，也就是說 table 要盡可能大。HashMap 采用動(dòng)態(tài)擴(kuò)容來根據(jù)當(dāng)前的 N 值來調(diào)整 M 值，使得空間效率和時(shí)間效率都能得到保證。
和擴(kuò)容相關(guān)的參數(shù)主要有：capacity、size、threshold 和 load_factor。
參數(shù) 含義
capacity table 的容量大小，默認(rèn)為 16。需要注意的是 capacity 必須保證為 2 的 n 次方。
size 鍵值對(duì)數(shù)量。
threshold size 的臨界值，當(dāng) size 大于等于 threshold 就必須進(jìn)行擴(kuò)容操作。
loadFactor 裝載因子，table 能夠使用的比例，threshold = (int)(capacity* loadFactor)。
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
transient Entry[] table;
transient int size;
int threshold;
final float loadFactor;
transient int modCount;
從下面的添加元素代碼中可以看出，當(dāng)需要擴(kuò)容時(shí)，令 capacity 為原來的兩倍。
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
? ? Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
? ? table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
? ? if (size++ >= threshold)
? ? ? ? resize(2 * table.length);
}
擴(kuò)容使用 resize() 實(shí)現(xiàn)，需要注意的是，擴(kuò)容操作同樣需要把 oldTable 的所有鍵值對(duì)重新插入 newTable 中，因此這一步是很費(fèi)時(shí)的。
void resize(int newCapacity) {
? ? Entry[] oldTable = table;
? ? int oldCapacity = oldTable.length;
? ? if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
? ? ? ? threshold = Integer.MAX_VALUE;
? ? ? ? return;
? ? }
? ? Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
? ? transfer(newTable);
? ? table = newTable;
? ? threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
}
void transfer(Entry[] newTable) {
? ? Entry[] src = table;
? ? int newCapacity = newTable.length;
? ? for (int j = 0; j < src.length; j++) {
? ? ? ? Entry<K,V> e = src[j];
? ? ? ? if (e != null) {
? ? ? ? ? ? src[j] = null;
? ? ? ? ? ? do {
? ? ? ? ? ? ? ? Entry<K,V> next = e.next;
? ? ? ? ? ? ? ? int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
? ? ? ? ? ? ? ? e.next = newTable[i];
? ? ? ? ? ? ? ? newTable[i] = e;
? ? ? ? ? ? ? ? e = next;
? ? ? ? ? ? } while (e != null);
? ? ? ? }
? ? }
}
6. 擴(kuò)容-重新計(jì)算桶下標(biāo)
在進(jìn)行擴(kuò)容時(shí)，需要把鍵值對(duì)重新計(jì)算桶下標(biāo)，從而放到對(duì)應(yīng)的桶上。在前面提到，HashMap 使用 hash%capacity 來確定桶下標(biāo)。HashMap capacity 為 2 的 n 次方這一特點(diǎn)能夠極大降低重新計(jì)算桶下標(biāo)操作的復(fù)雜度。
假設(shè)原數(shù)組長度 capacity 為 16，擴(kuò)容之后 new capacity 為 32：
capacity? ? ?: 00010000
new capacity : 00100000
對(duì)于一個(gè) Key，它的哈希值 hash 在第 5 位：
? 為 0，那么 hash%00010000 = hash%00100000，桶位置和原來一致；
? 為 1，hash%00010000 = hash%00100000 + 16，桶位置是原位置 + 16。
7. 計(jì)算數(shù)組容量
HashMap 構(gòu)造函數(shù)允許用戶傳入的容量不是 2 的 n 次方，因?yàn)樗梢宰詣?dòng)地將傳入的容量轉(zhuǎn)換為 2 的 n 次方。
先考慮如何求一個(gè)數(shù)的掩碼，對(duì)于 10010000，它的掩碼為 11111111，可以使用以下方法得到：
mask |= mask >> 1? ? 11011000
mask |= mask >> 2? ? 11111110
mask |= mask >> 4? ? 11111111
mask+1 是大于原始數(shù)字的最小的 2 的 n 次方。
num? ? ?10010000
mask+1 100000000
以下是 HashMap 中計(jì)算數(shù)組容量的代碼：
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;
}
8. 鏈表轉(zhuǎn)紅黑樹
從 JDK 1.8 開始，一個(gè)桶存儲(chǔ)的鏈表長度大于等于 8 時(shí)會(huì)將鏈表轉(zhuǎn)換為紅黑樹。
9. 與 Hashtable 的比較
? Hashtable 使用 synchronized 來進(jìn)行同步。
? HashMap 可以插入鍵為 null 的 Entry。
? HashMap 的迭代器是 fail-fast 迭代器。
? HashMap 不能保證隨著時(shí)間的推移 Map 中的元素次序是不變的。
ConcurrentHashMap
1. 存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)
static final class HashEntry<K,V> {
? ? final int hash;
? ? final K key;
? ? volatile V value;
? ? volatile HashEntry<K,V> next;
}
ConcurrentHashMap 和 HashMap 實(shí)現(xiàn)上類似，最主要的差別是 ConcurrentHashMap 采用了分段鎖（Segment），每個(gè)分段鎖維護(hù)著幾個(gè)桶（HashEntry），多個(gè)線程可以同時(shí)訪問不同分段鎖上的桶，從而使其并發(fā)度更高（并發(fā)度就是 Segment 的個(gè)數(shù)）。
Segment 繼承自 ReentrantLock。
static final class Segment<K,V> extends ReentrantLock implements Serializable {
? ? private static final long serialVersionUID = 2249069246763182397L;
? ? static final int MAX_SCAN_RETRIES =
? ? ? ? Runtime.getRuntime().availableProcessors() > 1 ? 64 : 1;
? ? transient volatile HashEntry<K,V>[] table;
? ? transient int count;
? ? transient int modCount;
? ? transient int threshold;
? ? final float loadFactor;
}
final Segment<K,V>[] segments;
默認(rèn)的并發(fā)級(jí)別為 16，也就是說默認(rèn)創(chuàng)建 16 個(gè) Segment。
static final int DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL = 16;
2. size 操作
每個(gè) Segment 維護(hù)了一個(gè) count 變量來統(tǒng)計(jì)該 Segment 中的鍵值對(duì)個(gè)數(shù)。
transient int count;
在執(zhí)行 size 操作時(shí)，需要遍歷所有 Segment 然后把 count 累計(jì)起來。
ConcurrentHashMap 在執(zhí)行 size 操作時(shí)先嘗試不加鎖，如果連續(xù)兩次不加鎖操作得到的結(jié)果一致，那么可以認(rèn)為這個(gè)結(jié)果是正確的。
嘗試次數(shù)使用 RETRIES_BEFORE_LOCK 定義，該值為 2，retries 初始值為 -1，因此嘗試次數(shù)為 3。
如果嘗試的次數(shù)超過 3 次，就需要對(duì)每個(gè) Segment 加鎖。
static final int RETRIES_BEFORE_LOCK = 2;
public int size() {
? ? final Segment<K,V>[] segments = this.segments;
? ? int size;
? ? boolean overflow;?
? ? long sum;? ? ? ??
? ? long last = 0L;?
? ? int retries = -1;
? ? try {
? ? ? ? for (;;) {
? ? ? ? ? ? // 超過嘗試次數(shù)，則對(duì)每個(gè) Segment 加鎖
? ? ? ? ? ? if (retries++ == RETRIES_BEFORE_LOCK) {
? ? ? ? ? ? ? ? for (int j = 0; j < segments.length; ++j)
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ensureSegment(j).lock();?
? ? ? ? ? ? }
? ? ? ? ? ? sum = 0L;
? ? ? ? ? ? size = 0;
? ? ? ? ? ? overflow = false;
? ? ? ? ? ? for (int j = 0; j < segments.length; ++j) {
? ? ? ? ? ? ? ? Segment<K,V> seg = segmentAt(segments, j);
? ? ? ? ? ? ? ? if (seg != null) {
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? sum += seg.modCount;
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? int c = seg.count;
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? if (c < 0 || (size += c) < 0)
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? overflow = true;
? ? ? ? ? ? ? ? }
? ? ? ? ? ? }
? ? ? ? ? ? // 連續(xù)兩次得到的結(jié)果一致，則認(rèn)為這個(gè)結(jié)果是正確的
? ? ? ? ? ? if (sum == last)
? ? ? ? ? ? ? ? break;
? ? ? ? ? ? last = sum;
? ? ? ? }
? ? } finally {
? ? ? ? if (retries > RETRIES_BEFORE_LOCK) {
? ? ? ? ? ? for (int j = 0; j < segments.length; ++j)
? ? ? ? ? ? ? ? segmentAt(segments, j).unlock();
? ? ? ? }
? ? }
? ? return overflow ? Integer.MAX_VALUE : size;
}
3. JDK 1.8 的改動(dòng)
JDK 1.7 使用分段鎖機(jī)制來實(shí)現(xiàn)并發(fā)更新操作，核心類為 Segment，它繼承自重入鎖 ReentrantLock，并發(fā)度與 Segment 數(shù)量相等。
JDK 1.8 使用了 CAS 操作來支持更高的并發(fā)度，在 CAS 操作失敗時(shí)使用內(nèi)置鎖 synchronized。
并且 JDK 1.8 的實(shí)現(xiàn)也在鏈表過長時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)換為紅黑樹。
LinkedHashMap
存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)
繼承自 HashMap，因此具有和 HashMap 一樣的快速查找特性。
public class LinkedHashMap<K,V> extends HashMap<K,V> implements Map<K,V>
內(nèi)部維護(hù)了一個(gè)雙向鏈表，用來維護(hù)插入順序或者 LRU 順序。
transient LinkedHashMap.Entry<K,V> head;
transient LinkedHashMap.Entry<K,V> tail;
accessOrder 決定了順序，默認(rèn)為 false，此時(shí)維護(hù)的是插入順序。
final boolean accessOrder;
LinkedHashMap 最重要的是以下用于維護(hù)順序的函數(shù)，它們會(huì)在 put、get 等方法中調(diào)用。
void afterNodeAccess(Node<K,V> p) { }
void afterNodeInsertion(boolean evict) { }
afterNodeAccess()
當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)被訪問時(shí)，如果 accessOrder 為 true，則會(huì)將該節(jié)點(diǎn)移到鏈表尾部。也就是說指定為 LRU 順序之后，在每次訪問一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，會(huì)將這個(gè)節(jié)點(diǎn)移到鏈表尾部，保證鏈表尾部是最近訪問的節(jié)點(diǎn)，那么鏈表首部就是最近最久未使用的節(jié)點(diǎn)。
void afterNodeAccess(Node<K,V> e) {?
? ? LinkedHashMap.Entry<K,V> last;
? ? if (accessOrder && (last = tail) != e) {
? ? ? ? LinkedHashMap.Entry<K,V> p =
? ? ? ? ? ? (LinkedHashMap.Entry<K,V>)e, b = p.before, a = p.after;
? ? ? ? p.after = null;
? ? ? ? if (b == null)
? ? ? ? ? ? head = a;
? ? ? ? else
? ? ? ? ? ? b.after = a;
? ? ? ? if (a != null)
? ? ? ? ? ? a.before = b;
? ? ? ? else
? ? ? ? ? ? last = b;
? ? ? ? if (last == null)
? ? ? ? ? ? head = p;
? ? ? ? else {
? ? ? ? ? ? p.before = last;
? ? ? ? ? ? last.after = p;
? ? ? ? }
? ? ? ? tail = p;
? ? ? ? ++modCount;
? ? }
}
afterNodeInsertion()
在 put 等操作之后執(zhí)行，當(dāng) removeEldestEntry() 方法返回 true 時(shí)會(huì)移除最晚的節(jié)點(diǎn)，也就是鏈表首部節(jié)點(diǎn) first。
evict 只有在構(gòu)建 Map 的時(shí)候才為 false，在這里為 true。
void afterNodeInsertion(boolean evict) {?
? ? LinkedHashMap.Entry<K,V> first;
? ? if (evict && (first = head) != null && removeEldestEntry(first)) {
? ? ? ? K key = first.key;
? ? ? ? removeNode(hash(key), key, null, false, true);
? ? }
}
removeEldestEntry() 默認(rèn)為 false，如果需要讓它為 true，需要繼承 LinkedHashMap 并且覆蓋這個(gè)方法的實(shí)現(xiàn)，這在實(shí)現(xiàn) LRU 的緩存中特別有用，通過移除最近最久未使用的節(jié)點(diǎn)，從而保證緩存空間足夠，并且緩存的數(shù)據(jù)都是熱點(diǎn)數(shù)據(jù)。
protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K,V> eldest) {
? ? return false;
}
LRU 緩存
以下是使用 LinkedHashMap 實(shí)現(xiàn)的一個(gè) LRU 緩存：
? 設(shè)定最大緩存空間 MAX_ENTRIES 為 3；
? 使用 LinkedHashMap 的構(gòu)造函數(shù)將 accessOrder 設(shè)置為 true，開啟 LRU 順序；
? 覆蓋 removeEldestEntry() 方法實(shí)現(xiàn)，在節(jié)點(diǎn)多于 MAX_ENTRIES 就會(huì)將最近最久未使用的數(shù)據(jù)移除。
class LRUCache<K, V> extends LinkedHashMap<K, V> {
? ? private static final int MAX_ENTRIES = 3;
? ? protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry eldest) {
? ? ? ? return size() > MAX_ENTRIES;
? ? }
? ? LRUCache() {
? ? ? ? super(MAX_ENTRIES, 0.75f, true);
? ? }
}
public static void main(String[] args) {
? ? LRUCache<Integer, String> cache = new LRUCache<>();
? ? cache.put(1, "a");
? ? cache.put(2, "b");
? ? cache.put(3, "c");
? ? cache.get(1);
? ? cache.put(4, "d");
? ? System.out.println(cache.keySet());
}
[3, 1, 4]
WeakHashMap
存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)
WeakHashMap 的 Entry 繼承自 WeakReference，被 WeakReference 關(guān)聯(lián)的對(duì)象在下一次垃圾回收時(shí)會(huì)被回收。
WeakHashMap 主要用來實(shí)現(xiàn)緩存，通過使用 WeakHashMap 來引用緩存對(duì)象，由 JVM 對(duì)這部分緩存進(jìn)行回收。
private static class Entry<K,V> extends WeakReference<Object> implements Map.Entry<K,V>
ConcurrentCache
Tomcat 中的 ConcurrentCache 使用了 WeakHashMap 來實(shí)現(xiàn)緩存功能。
ConcurrentCache 采取的是分代緩存：
? 經(jīng)常使用的對(duì)象放入 eden 中，eden 使用 ConcurrentHashMap 實(shí)現(xiàn)，不用擔(dān)心會(huì)被回收（伊甸園）；
? 不常用的對(duì)象放入 longterm，longterm 使用 WeakHashMap 實(shí)現(xiàn)，這些老對(duì)象會(huì)被垃圾收集器回收。
? 當(dāng)調(diào)用 get() 方法時(shí)，會(huì)先從 eden 區(qū)獲取，如果沒有找到的話再到 longterm 獲取，當(dāng)從 longterm 獲取到就把對(duì)象放入 eden 中，從而保證經(jīng)常被訪問的節(jié)點(diǎn)不容易被回收。
? 當(dāng)調(diào)用 put() 方法時(shí)，如果 eden 的大小超過了 size，那么就將 eden 中的所有對(duì)象都放入 longterm 中，利用虛擬機(jī)回收掉一部分不經(jīng)常使用的對(duì)象。
public final class ConcurrentCache<K, V> {
? ? private final int size;
? ? private final Map<K, V> eden;
? ? private final Map<K, V> longterm;
? ? public ConcurrentCache(int size) {
? ? ? ? this.size = size;
? ? ? ? this.eden = new ConcurrentHashMap<>(size);
? ? ? ? this.longterm = new WeakHashMap<>(size);
? ? }
? ? public V get(K k) {
? ? ? ? V v = this.eden.get(k);
? ? ? ? if (v == null) {
? ? ? ? ? ? v = this.longterm.get(k);
? ? ? ? ? ? if (v != null)
? ? ? ? ? ? ? ? this.eden.put(k, v);
? ? ? ? }
? ? ? ? return v;
? ? }
? ? public void put(K k, V v) {
? ? ? ? if (this.eden.size() >= size) {
? ? ? ? ? ? this.longterm.putAll(this.eden);
? ? ? ? ? ? this.eden.clear();
? ? ? ? }
? ? ? ? this.eden.put(k, v);
? ? }
}
總結(jié)
本文介紹了Java容器的基本知識(shí)，其中包括容器的使用方法和注意事項(xiàng)。雖然這些知識(shí)已經(jīng)足夠入門，但要真正掌握J(rèn)ava容器，建議深入了解容器的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)方式。建議多查閱Java容器的API和源碼，學(xué)習(xí)容器的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。當(dāng)你能夠自己動(dòng)手實(shí)現(xiàn)這些容器時(shí)，才能真正掌握J(rèn)ava容器，并在使用Java容器時(shí)更加得心應(yīng)手。
在學(xué)習(xí)Java容器時(shí)，需要注意的是，不同的容器適用于不同的場景，我們需要根據(jù)自己的實(shí)際需求選擇合適的容器。
總之，學(xué)習(xí)Java容器是Java開發(fā)者必備的技能之一，只有掌握了Java容器的使用和實(shí)現(xiàn)方式，才能在開發(fā)中更加得心應(yīng)手，提高開發(fā)效率和代碼質(zhì)量。
