1 Set和存储顺序
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Set
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()
进行查询。散列则更进一步,它将键保存在某处,以便能够很快找到。存储一组元素最快的数据结构是数组,所以用它来表示键的信息(请小心留意,我是说键的信息,而不是键本身)。但是因为数组不能调整容量,因此就有一个问题:我们希望在Map中保存数量不确定的值,但是如果键的数量被数组的容量限制了,该怎么办?
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'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:
给
int
变量result
赋予一个非零值常量,如17
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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