详细介绍Java容器相关知识全面总结（图）

Java实用类库提供了一套相当完整的容器来帮助我们解决很多具体问题。因为我本身是一名Android开发者，包括我在内很多安卓开发，最拿手的就是ListView(RecycleView)+BaseAdapter+ArrayList三剑客, 平时接触使用的容器也只有ArrayList和HashMap。导致对于整个Java容器体系的掌握和使用还停留在很浅的层面。省不足而思改进，那么跟着我来总结一下Java容器的相关知识吧。

结构

• java容器类的继承结构

• 具体介绍

• List

• Set

• Queue

• 迭代器

• Collection

• Map

• 一些建议

• 进阶·并发容器

• CopyOnWriteArrayList与Copy-On-Write策略

• ConcurrentLinkedQueue

• ConcurrentHashMap与锁分段技术

• 阻塞队列

java容器类的继承结构

Java容器类库定义了两个不同概念的容器，Collection和Map

• Collection 一个独立元素的序列，这些元素都服从一条或多条规则。List必须按照插入的顺序保存元素。Set不能有重复元素。Queue按照排队规则来确定对象产生的顺序。

(文中Jdk源码版本无特殊说明均为jdk1.8.0_101)

    public interface Collection<E> extends Iterable<E> {
        int size();

        boolean isEmpty();

        boolean contains(Object o);

        Iterator<E> iterator();

        Object[] toArray();

        <T> T[] toArray(T[] a);

        boolean add(E e);

        boolean remove(Object o);

        boolean containsAll(java.util.Collection<?> c);

        boolean addAll(java.util.Collection<? extends E> c);

        boolean removeAll(java.util.Collection<?> c);

        ... //省略了其他方法
    }

可以看到，java定义了Collection接口和内部集合的基本操作方法，Collection默认可以进行对集合末端添加元素，删除指定元素等操作。List、Set、Queue接口都继承自Collection并定义了各自不同的方法。

• Map 一组成对的”键值对”对象，允许我们使用键来查找值。

    public interface Map<K,V> {
        int size();

        boolean containsKey(Object key);

        boolean containsValue(Object value);

        V get(Object key);

        V put(K key, V value);

        V remove(Object key);

        void putAll(java.util.Map<? extends K, ? extends V> m);

        void clear();

        Set<K> keySet();

        Collection<V> values();

        Set<java.util.Map.Entry<K, V>> entrySet();

        interface Entry<K,V> {
            K getKey();

            V getValue();

            V setValue(V value);

            boolean equals(Object o);

            int hashCode();

            ...
        }

        boolean equals(Object o);

        int hashCode();

    }

Map内部接口Entryb77a8d9c3c319e50d4b02a976b347910对应着Map的键值对。

具体介绍

迭代器

先介绍一下迭代器。迭代器本身也是一种设计模式，设计的初衷在于：容器的实现由很多种，而我们想对容器进行遍历操作的话，首先不应该关心容器实现的细节，其次遍历操作应该是轻量级的。迭代器统一了对容器的访问方式，同时创建它的代价很小。值得注意的是，Iterator只能单向移动。

    public interface Iterator<E> {
        boolean hasNext();

        E next();

        default void remove() {
            throw new UnsupportedOperationException("remove");
        }

        default void forEachRemaining(Consumer<? super E> action) {
            Objects.requireNonNull(action);
            while (hasNext())
                action.accept(next());
            }
    }

通过容器的iterator()方法拿到容器的迭代器
迭代器的next()获取下一个元素
hasNext()判断是否还有元素
remove()删除指定元素

ListIterator

ListIterator是Iterator的扩展之内，用于各种List类访问，支持双向移动。

Collection

List

List 承诺可以将元素维护在特定的序列中.List接口在Collection的基础上添加了大量的方法，使得可以再List中间插入和移除元素。

    public interface List<E> extends Collection<E> {

        ...

        boolean add(E e);

        boolean remove(Object o);

        boolean containsAll(Collection<?> c);

        boolean addAll(Collection<? extends E> c);

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

        boolean removeAll(Collection<?> c);

        boolean retainAll(Collection<?> c);

        E get(int index);

        E set(int index, E element);

        void add(int index, E element);

        E remove(int index);

        int indexOf(Object o);

        int lastIndexOf(Object o);

        java.util.List<E> subList(int fromIndex, int toIndex);

        ...

    }

有两种类型的List，ArrayList和LinkedList

List类型	优点	缺点	底层实现
ArrayList	随机访问元素较快	中间元素的插入和删除较慢	数组
LinkedList	中间元素的插入和删除，顺序访问的优化	随机访问元素较慢	双向链表

Set

Set不保存重复的元素，通常用于快速查找元素。值得一提的是，Set具有与Collection完全一样的接口，没有任何额外的功能。 存入的元素必须定义equals()方法

Set类型	使用场景	底层实现
HashSet	快速查找，元素必须定义hashCode()	链表
TreeSet	保持次序，元素必须实现Comparable接口	红-黑树结构
LinkedHashSet	维护次序的HashSet, 元素必须定义hashCode()	链表

Queue

除了并发应用，Queue仅有的两个实现是LinkedList和PriorityQueue, 其中LinkedList同时实现了List, Deque接口。它们的差异在于排序行为而不是性能。

    public interface Queue<E> extends Collection<E> {
        boolean add(E e);

        boolean offer(E e);

        E remove();

        E poll();

        E element();

        E peek();
    }

Map

Map类型	使用场景	底层实现
HashMap	快速查询	散列表
LinkedHashMap	迭代遍历具有顺序(插入顺序 or 最近最少使用)	链表
TreeMap	具有排序，唯一可以返回子树的Map(subMap())	红-黑树结构
WeakHashMap	弱键映射，映射之外无引用的键，可以被垃圾回收	散列表
ConcurrentHashMap	线程安全的Map	链表
IdentityHashMap	使用==代替equals()对键进行排序，专位解决特殊问题	链表

我们可以手工调整HashMap来调整性能，涉及到如容量、初始容量、尺寸、负载因子等概念。感兴趣的话可以看一些相关资料。

一些建议

• 不要使用过时的容器 如Vector Enumeration Hashtable Stack(没错，这就是java最初的糟糕设计，实际中使用栈的话推荐LinkedList)

进阶·并发容器

这里不会讨论的太细致的实现，仅仅简单介绍一下基础知识，感兴趣的可以阅读《Java 并发编程的艺术》这本书。

CopyOnWriteArrayList与Copy-On-Write策略

Copy-On-Write简称COW，是一种用于程序设计中的优化策略。其基本思路是，从一开始大家都在共享同一个内容，当某个人想要修改这个内容的时候，才会真正把内容Copy出去形成一个新的内容然后再改，这是一种延时懒惰策略。从JDK1.5开始Java并发包里提供了两个使用CopyOnWrite机制实现的并发容器,它们是CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet。CopyOnWrite容器非常有用，可以在非常多的并发场景中使用到。

CopyOnWrite容器即写时复制的容器。通俗的理解是当我们往一个容器添加元素的时候，不直接往当前容器添加，而是先将当前容器进行Copy，复制出一个新的容器，然后新的容器里添加元素，添加完元素之后，再将原容器的引用指向新的容器。这样做的好处是我们可以对CopyOnWrite容器进行并发的读，而不需要加锁，因为当前容器不会添加任何元素。所以CopyOnWrite容器也是一种读写分离的思想，读和写不同的容器。

CopyOnWrite容器只能保证数据的最终一致性，不能保证数据的实时一致性。所以如果你希望写入的的数据，马上能读到，请不要使用CopyOnWrite容器。

ConcurrentLinkedQueue

在并发编程中，有时候需要使用线程安全的队列或列表。通常实现线程安全有两种方式，一种是使用阻塞算法，一种是使用非阻塞算法。非阻塞算法实现基础为循环CAS(Compare and Swipe 比较和交换)。

ConcurrentLinkedQueue技术上的实现与CopyOnWriteArrayList与Copy类似，但是容器只有部分内容而不是整个容器可以被复制和修改。ConcurrentLinkedQueue有head节点和tail节点组成，每个节点由节点元素(item)和指向下一个结点(next)的引用组成。节点之间通过next关联起来，形成一张链表结构的队列。

ConcurrentHashMap与锁分段技术

ConcurrentHashMap是线程安全且高效的HashMap。多线程环境下，使用非线程安全的HashMap会导致死循环，而如文章中建议的那样，HashTable这种过时容器效率低下(使用synchronized来保证线程安全)。ConcurrentHashMap使用锁分段技术，大大提高了并发使用的效率。

锁分段技术: 假设容器有多把锁，每一把锁用于锁容器其中一部分数据，当多线程访问容器不同数据段数据时，线程间就不存在锁竞争，从而提高并发访问效率。

阻塞队列

JDK7 提供了7个阻塞队列，实现原理都是基于生产-消费模式的等待通知机制。

阻塞队列类型	特点
ArrayBlockingQueue	由数组结构组成的有界阻塞队列
LinkedBlockingQueue	由链表结构组成的有界阻塞队列
PriorityBlockingQueue	支持优先级排序的无界阻塞队列
DelayQueue	使用优先级队列实现的无界阻塞队列
SynchronousQueue	不储存元素的阻塞队列
LinkedTransferQueue	由链表结构组成的无界阻塞队列
LinkedBlockingQueue	由链表结构组成的双向阻塞队列

Atas ialah kandungan terperinci 详细介绍Java容器相关知识全面总结（图）. Untuk maklumat lanjut, sila ikut artikel berkaitan lain di laman web China PHP!