자바 프로그래밍 사고 학습 수업(4) 17장 - 컨테이너에 대한 심층 토론

1 집합 및 저장 순서

• SetSet的元素必须定义equals()方法以确保对象的唯一性。

• hashCode()只有这个类被置于HashSet或者LinkedHashSet中时才是必需的。但是对于良好的编程风格而言，你应该在覆盖equals()方法时，总是同时覆盖hashCode()方法。

• 如果一个对象被用于任何种类的排序容器中，例如SortedSet（TreeSet是其唯一实现），那么它必须实现Comparable接口。

• 注意，SortedSet的意思是“按对象的比较函数对元素排序”，而不是指“元素插入的次序”。插入顺序用LinkedHashSet来保存。

2 队列

• 队了并发应用，Queue在Java SE5中仅有的两个实现是LinkiedList和PriorityQueue，它们仅有排序行为的差异，性能上没有差异。

• 优先级队列PriorityQueue的排列顺序也是通过实现Comparable而进行控制的。

3 Map

  映射表（也称为关联数组Associative Array）。

3.1 性能

  HashMap使用了特殊的值，称作散列码（hash code），来取代对键的缓慢搜索。散列码是“相对唯一”的、用以代表对象的int值，它是通过将该对象的某些信息进行转换而生成的。
hashCode()是根类Object中的方法，因此所有对象都能产生散列码。

  对Map中使用的键的要求与对Set中的元素的要求一样：

• 任何键都必须具有一个equals()方法；

• 如果键被用于散列Map，那么它必须还具有恰当的hashCode()方法；

• 如果键被用于TreeMap，那么它必须实现Comparable。

4 散列与散列码

  HashMap使用equals()判断当前的键是否与表中存在的键相同。
  默认的Object.equals()只是比较对象的地址。如果要使用自己的类作为HashMap的键，必须同时重写hashCode()和equals()。
  正确的equals()方法必须满足下列5个条件：

• 自反性。

• 对称性。

• 传递性。

• 一致性。

• 对任何不是null的x，x.equals(null)一定返回false。

4.1 散列概念

  使用散列的目的在于：想要使用一个对象来查找另一个对象。
  Map的实现类使用散列是为了提高查询速度。

散列的价值在于速度：散列使得查询得以快速进行。由于瓶颈位于查询速度，因此解决方案之一就是保持键的排序状态，然后使用Collections.binarySearch()에 추가된 요소는

equals()

메서드를 정의하여 객체가 독특한 섹스입니다.

🎜🎜🎜hashCode()🎜이 클래스는 HashSet 또는 LinkedHashSet에 배치된 경우에만 필요합니다. 그러나 좋은 프로그래밍 스타일의 문제로, equals() 메서드를 재정의할 때는 항상 hashCode() 메서드를 재정의해야 합니다. 🎜🎜🎜SortedSet(이 중 TreeSet이 유일한 구현임)과 같은 모든 종류의 🎜🎜정렬된 컨테이너🎜🎜에서 개체가 사용되는 경우 그런 다음 🎜Comparable🎜 인터페이스를 구현해야 합니다. 🎜🎜🎜 🎜SortedSet🎜은 "요소가 삽입되는 순서"가 아니라 "객체의 🎜🎜 비교 함수🎜🎜에 따라 요소를 정렬하는 것"을 의미합니다. 🎜🎜삽입 순서🎜🎜는 🎜LinkedHashSet🎜에 저장됩니다. 🎜

2 Queue

🎜🎜🎜Java SE5에서 Queue의 유일한 두 가지 구현은 🎜LinkedList🎜 및 🎜 입니다. PriorityQueue🎜는 🎜정렬 동작🎜만 다를 뿐 성능에는 차이가 없습니다. 🎜🎜🎜우선순위 큐 PriorityQueue의 순서도 🎜Comparable🎜 구현을 통해 제어됩니다. 🎜

3 맵

🎜 — 🎜🎜Map table🎜🎜(🎜associative array🎜🎜Associative Array🎜이라고도 함). 🎜

3.1 성능

🎜 HashMap은 🎜🎜hash code🎜🎜(해시 코드)라는 특수 값을 사용하여 느린 키 검색을 대체합니다. 해시 코드는 객체를 나타내는 데 사용되는 🎜🎜 "상대적으로 고유한" 🎜🎜 int 값으로, 객체에 대한 🎜특정 정보를 변환하여 생성됩니다. 🎜hashCode()는 루트 클래스 Object의 메소드이므로 모든 객체가 해시 코드를 생성할 수 있습니다. 🎜🎜 Map에 사용되는 키에 대한 요구 사항은 Set의 요소에 대한 요구 사항과 동일합니다. 🎜🎜🎜🎜모든 키에는 🎜equals()🎜 메서드가 있어야 합니다. 🎜🎜 🎜If 키가 해시된 맵에 사용되는 경우 적절한 🎜hashCode()🎜메서드도 있어야 합니다. 🎜🎜🎜키가 🎜TreeMap에 사용되는 경우 code>🎜인 경우 🎜<code>Comparable🎜을 구현해야 합니다. 🎜

4 해시 및 해시 코드

🎜 HashMap은 🎜equals()🎜를 사용하여 현재 키가 존재하는 키와 동일한지 확인합니다. 테이블에. 🎜 🎜기본 Object.equals()는 객체의 주소만 비교합니다 🎜. 🎜자신의 클래스를 HashMap🎜의 키로 사용하려면 🎜🎜hashCode()와 equals()🎜🎜을 동시에 재정의해야 합니다. 🎜 올바른 equals() 메서드는 다음 5가지 조건을 충족해야 합니다: 🎜🎜🎜🎜재귀성. 🎜🎜🎜대칭. 🎜🎜🎜전환성. 🎜🎜🎜일관성. 🎜🎜🎜null이 아닌 모든 x의 경우 x.equals(null)는 false를 반환해야 합니다. 🎜

4.1 해시 개념

🎜 해싱을 사용하는 목적은 다음과 같습니다. 🎜한 객체를 사용하여 다른 객체를 찾고 싶습니다🎜. 🎜 Map의 구현 클래스는 해싱을 사용하여 🎜🎜쿼리 속도를 높입니다🎜🎜. 🎜

🎜🎜해싱의 가치는 속도입니다🎜: 🎜해싱은 쿼리를 빠르게 만듭니다🎜. 병목 현상이 🎜🎜쿼리 속도🎜🎜에 있으므로 해결 방법 중 하나는 키를 정렬된 상태로 유지한 다음 Collections.binarySearch()를 사용하여 쿼리하는 것입니다. 🎜🎜🎜🎜해싱은 한 단계 더 발전하여 키를 빠르게 찾을 수 있도록 어딘가에 키를 저장합니다🎜🎜. 요소 집합을 저장하는 가장 빠른 데이터 구조는 배열이므로 이를 사용하여 키 정보를 나타냅니다(키 자체가 아니라 키 정보를 의미한다는 점에 주의하세요). 하지만 배열이 용량을 조정할 수 없기 때문에 문제가 있습니다. 불확실한 수의 값을 맵에 저장하고 싶지만 배열의 용량에 따라 키 수가 제한되면 어떻게 될까요? 🎜

答案就是：数组并不保存键本身。而是通过键对象生成一个数字，将其作为数组的下标。这个数字就是散列码，由定义在Object中的、且可能由你的类覆盖的hashCode()方法（在计算机科学的术语中称为散列函数）生成。

为解决数组容量固定的问题，不同的键可以产生相同的下标。也就是说，可能会有冲突，即散列码不必是独一无二的。因此，数组多大就不重要了，任何键总能在数组中找到它的位置。

4.2 理解散列

  综上，散列就是将一个对象生成一个数字保存下来（作为数组的下标），然后在查找这个对象时直接找到这个数字就可以了，所以散列的目的是为了提高查找速度，而手段是将一个对象生成的数字与其关联并保存下来（通过数组，称为散列表）。这个生成的数字就是散列码。而生成这个散列码的方法称为散列函数（hashCode()）。

4.3 HashMap查询过程（快速原因）

  因此，HashMap中查询一个key的过程就是：

• 首先计算散列码

• 然后使用散列码查询数组（散列码作变数组下标）

• 如果没有冲突，即生成这个散列码的对象只有一个，则散列码对应的数组下标的位置就是这个要查找的元素

• 如果有冲突，则散列码对应的下标所在数组元素保存的是一个list，然后对list中的值使用equals()方法进行线性查询。

  因此，不是查询整个list，而是快速地跳到数组的某个位置，只对很少的元素进行比较。这便是HashMap会如此快速的原因。

4.4 简单散列Map的实现

• 散列表中的槽位（slot）通常称为桶位（bucket）

• 为使散列均匀，桶的数量通常使用质数（JDK5中是质数，JDK7中已经是2的整数次方了）。
  

  事实证明，质数实际上并不是散列桶的理想容量。近来，（通过广泛的测试）Java的散列函数都使用2的整数次方。对现代处理器来说，除法与求余数是最慢的操作。使用2的整数次方长度的散列表，可用掩码代替除法。因为get()是使用最多的操作，求余数的%操作是其开销最大的部分，而使用2的整数次方可以消除此开销（也可能对hashCode()有些影响）。

• get()方法按照与put()方法相同的方式计算在buckets数组中的索引，这很重要，因为这样可以保证两个方法可以计算出相同的位置。

package net.mrliuli.containers;

import java.util.*;public class SimpleHashMap<K, V> extends AbstractMap<K, V> {    // Choose a prime number for the hash table size, to achieve a uniform distribution:
    static final int SIZE = 997;    // You can&#39;t have a physical array of generics, but you can upcast to one:
    @SuppressWarnings("unchecked")
    LinkedList<MapEntry<K,V>>[] buckets = new LinkedList[SIZE];

    @Override    public V put(K key, V value){        int index = Math.abs(key.hashCode()) % SIZE;        if(buckets[index] == null){
            buckets[index] = new LinkedList<MapEntry<K,V>>();
        }

        LinkedList<MapEntry<K,V>> bucket = buckets[index];
        MapEntry<K,V> pair = new MapEntry<K,V>(key, value);

        boolean found = false;
        V oldValue = null;
        ListIterator<MapEntry<K,V>> it = bucket.listIterator();        while(it.hasNext()){
            MapEntry<K,V> iPair = it.next();            if(iPair.equals(key)){
                oldValue = iPair.getValue();
                it.set(pair); // Replace old with new
                found = true;                break;
            }
        }        if(!found){
            buckets[index].add(pair);
        }        return oldValue;
    }

    @Override    public V get(Object key){        int index = Math.abs(key.hashCode()) % SIZE;        if(buckets[index] == null) return null;        for(MapEntry<K,V> iPair : buckets[index]){            if(iPair.getKey().equals(key)){                return iPair.getValue();
            }
        }        return null;
    }

    @Override    public Set<Map.Entry<K,V>> entrySet(){
        Set<Map.Entry<K,V>> set = new HashSet<Map.Entry<K, V>>();        for(LinkedList<MapEntry<K,V>> bucket : buckets){            if(bucket == null) continue;            for(MapEntry<K,V> mpair : bucket){                set.add(mpair);
            }
        }        return set;
    }    public static void main(String[] args){
        SimpleHashMap<String, String> m = new SimpleHashMap<String, String>();        for(String s : "to be or not to be is a question".split(" ")){
            m.put(s, s);
            System.out.println(m);
        }
        System.out.println(m);
        System.out.println(m.get("be"));
        System.out.println(m.entrySet());
    }
}

4.5 覆盖hashCode()

  设计`hashCode()`时要考虑的因素：

• 最重要的因素：无论何时，对同一相对象调用hashCode()都应该生成同样的值。

• 此外，不应该使hashCode()依赖于具有唯一性的对象信息，尤其是使用this的值，这只能产生很糟糕的hashCode()。因为这样做无法生成一个新的键，使之与put()中原始的键值对中的键相同。即应该使用对象内有意义的识别信息。也就是说，它必须基于对象的内容生成散列码。

• 但是，通过hashCode() equals()必须能够完全确定对象的身份。

• 因为在生成桶的下标前，hashCode()还需要进一步处理，所以散列码的生成范围并不重要，只要是int即可。

• 好的hashCode()应该产生分布均匀的散列码。

《Effective Java™ Programming Language Guide (Addison-Wesley, 2001)》为怎样写出一个像样的hashCode()给出了一个基本的指导：

1. 给int变量result赋予一个非零值常量，如17

2. 为对象内每个有意义的域f（即每个可以做equals()操作的域）计算出一个int散列码c：

域类型	计算
boolean	c=(f?0:1)
byte、char、short或int	c=(int)f
long	c=(int)(f^(f>>>32))
float	c=Float.floatToIntBits(f);
double	long l = Double.doubleToLongBits(f);
Object,其equals()调用这个域的equals()	c=f.hashCode()
数组	对每个元素应用上述规则

3. 合并计算散列码：result = 37 * result + c;
4. 返回result。
5. 检查hashCode()最后生成的结果，确保相同的对象有相同的散列码。

5 选择不同接口的实现

5.1 微基准测试的危险（Microbenchmarking dangers）

已证明0.0是包含在Math.random()的输出中的，按照数学术语，即其范围是[0,1)。

5.2 HashMap的性能因子

  HashMap中的一些术语：

• 容量（Capacity）：表中的桶位数（The number of buckets in the table）。

• 初始容量（Initial capacity）：表在创建时所拥有的桶位数。HashMap和HashSet都具有允许你指定初始容量的构造器。

• 尺寸（Size）：表中当前存储的项数。

• 负载因子（Loadfactor）：尺寸/容量。空表的负载因子是0，而半满表的负载因子是0.5，依此类推。负载轻的表产生冲突的可能性小，因此对于插入和查找都是最理想的（但是会减慢使用迭代器进行遍历的过程）。HashMap和HashSet都具有允许你指定负载因子的构造器，表示当负载情况达到该负载的水平时，容器将自动增加其容量（桶位数），实现方式是使容量大致加倍，并重新将现有对象分布到新的桶位集中（这被称为再散列）。

HashMap使用的默认负载因子是0.75（只有当表达到四分之三满时，才进行再散列），这个因子在时间和空间代价之间达到了平衡。更高的负载因子可以降低表所需的空间，但会增加查找代价，这很重要，因为查找是我们在大多数时间里所做的操作（包括get()和put()）。

6 Collection或Map的同步控制

  Collections类有办法能够自动同步整个容器。其语法与“不可修改的”方法相似：

package net.mrliuli.containers;

import java.util.*;public class Synchronization {    public static void main(String[] args){
        Collection<String> c = Collections.synchronizedCollection(new ArrayList<String>());
        List<String> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<String>());        Set<String> s = Collections.synchronizedSet(new HashSet<String>());        Set<String> ss = Collections.synchronizedSortedSet(new TreeSet<String>());
        Map<String, String> m = Collections.synchronizedMap(new HashMap<String, String>());
        Map<String, String> sm = Collections.synchronizedSortedMap(new TreeMap<String, String>());
    }
}

6.1 快速报错（fail-fast）

  Java容器有一种保护机制能够防止多个进行同时修改同一个容器的内容。Java容器类类库采用快速报错（fail-fast）机制。它会探查容器上的任何除了你的进程所进行的操作以外的所有变化，一旦它发现其他进程修改了容器，就会立刻抛出ConcurrentModificationException异常。这就是“快速报错”的意思——即，不是使用复杂的算法在事后来检查问题。

package net.mrliuli.containers;
import java.util.*;public class FailFast {    public static void main(String[] args){
        Collection<String> c = new ArrayList<>();
        Iterator<String> it = c.iterator();
        c.add("An Object");        try{
            String s = it.next();
        }catch(ConcurrentModificationException e){
            System.out.println(e);
        }
    }
}

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