集合框架底层数据结构总结

Collection

List

  • Arraylist: Object数组
  • Vector: Object数组
  • LinkedList: 双向循环链表

Set

  • HashSet(无序,唯一): 基于 HashMap 实现的,底层采用 HashMap 来保存元素
  • LinkedHashSet: LinkedHashSet 继承与 HashSet,并且其内部是通过 LinkedHashMap 来实现的。有点类似于我们之前说的LinkedHashMap 其内部是基于 Hashmap 实现一样,不过还是有一点点区别的。
  • TreeSet(有序,唯一): 红黑树(自平衡的排序二叉树。)

Map

  • HashMap: JDK1.8之前HashMap由数组+链表组成的,数组是HashMap的主体,链表则是主要为了解决哈希冲突而存在的(“拉链法”解决冲突).JDK1.8以后在解决哈希冲突时有了较大的变化,当链表长度大于阈值(默认为8)时,将链表转化为红黑树,以减少搜索时间
  • LinkedHashMap: LinkedHashMap 继承自 HashMap,所以它的底层仍然是基于拉链式散列结构即由数组和链表或红黑树组成。另外,LinkedHashMap 在上面结构的基础上,增加了一条双向链表,使得上面的结构可以保持键值对的插入顺序。同时通过对链表进行相应的操作,实现了访问顺序相关逻辑。
  • HashTable: 数组+链表组成的,数组是 HashMap 的主体,链表则是主要为了解决哈希冲突而存在的
  • TreeMap: 红黑树(自平衡的排序二叉树)

集合框架体系如图

双向链表
双向链表

集合接口

集合框架定义了一些接口。本节提供了每个接口的概述:

序号 接口描述
1 Collection 接口 Collection 是最基本的集合接口,一个 Collection 代表一组 Object,
即 Collection 的元素, Java不提供直接继承自Collection的类,
只提供继承于的子接口(如List和set)。Collection 接口存储一组不唯一,无序的对象。
2 List 接口 List接口是一个有序的 Collection
使用此接口能够精确的控制每个元素插入的位置,
能够通过索引(元素在List中位置,类似于数组的下标)来访问List中的元素,
第一个元素的索引为 0,而且允许有相同的元素。
List 接口存储一组不唯一,有序(插入顺序)的对象。
3 Set Set 具有与 Collection 完全一样的接口,
只是行为上不同,Set 不保存重复的元素。
Set 接口存储一组唯一,无序的对象。
4 SortedSet 继承于Set保存有序的集合。
5 Map Map 接口存储一组键值对象,提供key(键)到value(值)的映射。
6 Map.Entry 描述在一个Map中的一个元素(键/值对)。是一个Map的内部类。
7 SortedMap 继承于 Map,使 Key 保持在升序排列。
8 Enumeration 这是一个传统的接口和定义的方法,
通过它可以枚举(一次获得一个)对象集合中的元素。这个传统接口已被迭代器取代。

Set和List的区别

  • Set 接口实例存储的是无序的,不重复的数据。List 接口实例存储的是有序的,可以重复的元素。
  • Set检索效率低下,删除和插入效率高,插入和删除不会引起元素位置改变 <实现类有HashSet,TreeSet>
  • List和数组类似,可以动态增长,根据实际存储的数据的长度自动增长List的长度。查找元素效率高,插入删除效率低,因为会引起其他元素位置改变 <实现类有ArrayList,LinkedList,Vector>

集合实现类(集合类)

Java提供了一套实现了Collection接口的标准集合类。其中一些是具体类,这些类可以直接拿来使用,而另外一些是抽象类,提供了接口的部分实现。

标准集合类汇总于下表:

序号 类描述
1 AbstractCollection 实现了大部分的集合接口。
2 AbstractList 继承于AbstractCollection 并且实现了大部分List接口。
3 AbstractSequentialList 继承于 AbstractList ,
提供了对数据元素的链式访问而不是随机访问。
4 LinkedList 该类实现了List接口,允许有null(空)元素。
主要用于创建链表数据结构,该类没有同步方法,如果多个线程同时访问一个List,
则必须自己实现访问同步,解决方法就是在创建List时候构造一个同步的List。
例如:
Listlist=Collections.synchronizedList(newLinkedList(...));
LinkedList 查找效率低。
5 ArrayList 该类也是实现了List的接口.
实现了可变大小的数组,随机访问和遍历元素时,提供更好的性能。
该类也是非同步的,在多线程的情况下不要使用。ArrayList 增长当前长度的50%,插入删除效率低。
6 AbstractSet 继承于AbstractCollection 并且实现了大部分Set接口。
7 HashSet 该类实现了Set接口,不允许出现重复元素,
不保证集合中元素的顺序,允许包含值为null的元素,但最多只能一个。
8 LinkedHashSet 具有可预知迭代顺序的 Set 接口的哈希表和链接列表实现。
9 TreeSet 该类实现了Set接口,可以实现排序等功能。
10 AbstractMap 实现了大部分的Map接口。
11 HashMap HashMap 是一个散列表,它存储的内容是键值对(key-value)映射。
该类实现了Map接口,根据键的HashCode值存储数据,
具有很快的访问速度,最多允许一条记录的键为null,不支持线程同步。
12 TreeMap 继承了AbstractMap,并且使用一颗树。
13 WeakHashMap 继承AbstractMap类,使用弱密钥的哈希表。
14 LinkedHashMap 继承于HashMap,使用元素的自然顺序对元素进行排序.
15 IdentityHashMap 继承AbstractMap类,比较文档时使用引用相等。

通过java.util包中定义的类,如下所示:

序号 类描述
1 Vector 该类和ArrayList非常相似,但是该类是同步的,
可以用在多线程的情况,该类允许设置默认的增长长度,默认扩容方式为原来的2倍。
2 Stack 栈是Vector的一个子类,它实现了一个标准的后进先出的栈。
3 Dictionary Dictionary 类是一个抽象类,用来存储键/值对,作用和Map类相似。
4 Hashtable Hashtable 是 Dictionary(字典) 类的子类,位于 java.util 包中。
5 Properties Properties 继承于 Hashtable,表示一个持久的属性集,
属性列表中每个键及其对应值都是一个字符串。
6 BitSet 一个Bitset类创建一种特殊类型的数组来保存位值。BitSet中数组大小会随需要增加。

集合算法

集合框架定义了几种算法,可用于集合和映射。这些算法被定义为集合类的静态方法。

在尝试比较不兼容的类型时,一些方法能够抛出 ClassCastException异常。当试图修改一个不可修改的集合时,抛出UnsupportedOperationException异常。

集合定义三个静态的变量:EMPTY_SET,EMPTY_LIST,EMPTY_MAP的。这些变量都不可改变。

序号 算法描述
1 Collection Algorithms 这里是一个列表中的所有算法实现。

小结

Java集合框架为程序员提供了预先包装的数据结构和算法来操纵他们。

集合是一个对象,可容纳其他对象的引用。集合接口声明对每一种类型的集合可以执行的操作。

集合框架的类和接口均在java.util包中。

任何对象加入集合类后,自动转变为Object类型,所以在取出的时候,需要进行强制类型转换。

Arraylist 与 LinkedList 异同

1. 是否保证线程安全: ArrayList 和 LinkedList 都是不同步的,也就是不保证线程安全;

2. 底层数据结构: Arraylist 底层使用的是Object数组;LinkedList 底层使用的是双向循环链表数据结构;

3. 插入和删除是否受元素位置的影响:ArrayList 采用数组存储,所以插入和删除元素的时间复杂度受元素位置的影响。 比如:执行add(E e)方法的时候, ArrayList 会默认在将指定的元素追加到此列表的末尾,这种情况时间复杂度就是O(1)。但是如果要在指定位置 i 插入和删除元素的话(add(int index, E element))时间复杂度就为 O(n-i)。因为在进行上述操作的时候集合中第 i 和第 i 个元素之后的(n-i)个元素都要执行向后位/向前移一位的操作。 ② LinkedList 采用链表存储,所以插入,删除元素时间复杂度不受元素位置的影响,都是近似 O(1)而数组为近似 O(n)。

4. 是否支持快速随机访问: LinkedList 不支持高效的随机元素访问,而ArrayList 实现了RandmoAccess 接口,所以有随机访问功能。快速随机访问就是通过元素的序号快速获取元素对象(对应于get(int index)方法)。

5. 内存空间占用: ArrayList的空 间浪费主要体现在在list列表的结尾会预留一定的容量空间,而LinkedList的空间花费则体现在它的每一个元素都需要消耗比ArrayList更多的空间(因为要存放直接后继和直接前驱以及数据)。

数据结构基础之双向链表:

双向链表也叫双链表,是链表的一种,它的每个数据结点中都有两个指针,分别指向直接后继和直接前驱。所以,从双向链表中的任意一个结点开始,都可以很方便地访问它的前驱结点和后继结点。一般我们都构造双向循环链表,如下图所示,同时下图也是LinkedList 底层使用的是双向循环链表数据结构。

双向链表
双向链表

ArrayList 与 Vector 区别

Vector类的所有方法都是同步的。可以由两个线程安全地访问一个Vector对象、但是一个线程访问Vector的话代码要在同步操作上耗费大量的时间。

Arraylist不是同步的,所以在不需要保证线程安全时时建议使用Arraylist。

HashMap 和 Hashtable 的区别

  1. 线程是否安全: HashMap 是非线程安全的,HashTable 是线程安全的;HashTable 内部的方法基本都经过 synchronized 修饰。(如果你要保证线程安全的话就使用 ConcurrentHashMap 吧!);
  2. 效率: 因为线程安全的问题,HashMap 要比 HashTable 效率高一点。另外,HashTable 基本被淘汰,不要在代码中使用它;
  3. 对Null key 和Null value的支持: HashMap 中,null 可以作为键,这样的键只有一个,可以有一个或多个键所对应的值为 null。。但是在 HashTable 中 put 进的键值只要有一个 null,直接抛出 NullPointerException。
  4. 初始容量大小和每次扩充容量大小的不同 : ①创建时如果不指定容量初始值,Hashtable 默认的初始大小为11,之后每次扩充,容量变为原来的2n+1。HashMap 默认的初始化大小为16。之后每次扩充,容量变为原来的2倍。②创建时如果给定了容量初始值,那么 Hashtable 会直接使用你给定的大小,而 HashMap 会将其扩充为2的幂次方大小。也就是说 HashMap 总是使用2的幂作为哈希表的大小,后面会介绍到为什么是2的幂次方。
  5. 底层数据结构: JDK1.8 以后的 HashMap 在解决哈希冲突时有了较大的变化,当链表长度大于阈值(默认为8)时,将链表转化为红黑树,以减少搜索时间。Hashtable 没有这样的机制。

HashSet 和 HashMap 区别

HashSet 和 HashMap 区别
HashSet 和 HashMap 区别

ConcurrentHashMap 和 Hashtable 的区别

ConcurrentHashMap 和 Hashtable 的区别主要体现在实现线程安全的方式上不同。

  • 底层数据结构: JDK1.7的 ConcurrentHashMap 底层采用 分段的数组+链表 实现,JDK1.8 采用的数据结构跟HashMap1.8的结构一样,数组+链表/红黑二叉树。Hashtable 和 JDK1.8 之前的 HashMap 的底层数据结构类似都是采用 数组+链表 的形式,数组是 HashMap 的主体,链表则是主要为了解决哈希冲突而存在的;
  • 实现线程安全的方式(重要):在JDK1.7的时候,ConcurrentHashMap(分段锁) 对整个桶数组进行了分割分段(Segment),每一把锁只锁容器其中一部分数据,多线程访问容器里不同数据段的数据,就不会存在锁竞争,提高并发访问率。(默认分配16个Segment,比Hashtable效率提高16倍。) 到了 JDK1.8 的时候已经摒弃了Segment的概念,而是直接用 Node 数组+链表+红黑树的数据结构来实现,并发控制使用 synchronized 和 CAS 来操作。(JDK1.6以后 对 synchronized锁做了很多优化) 整个看起来就像是优化过且线程安全的 HashMap,虽然在JDK1.8中还能看到 Segment 的数据结构,但是已经简化了属性,只是为了兼容旧版本;② Hashtable(同一把锁) :使用 synchronized 来保证线程安全,效率非常低下。当一个线程访问同步方法时,其他线程也访问同步方法,可能会进入阻塞或轮询状态,如使用 put 添加元素,另一个线程不能使用 put 添加元素,也不能使用 get,竞争会越来越激烈效率越低。

参考文献