java集合框架的體系結構詳細說明

最近在一本J2EE的書中看到了很不錯的對集合框架的說明文章,篩選後發上來和大家共享,集合框架提供管理對象集合的接口和類.它包含接口,類,算法,以下是它的各個組件的說明. 
Collection介面 
Collection是最基本的集合接口，一個Collection代表一組Object，即Collection的元素（Elements）。有些Collection允許相同的元素而有些不行。有些能排序而有些不行。 Java SDK不提供直接繼承自Collection的類，Java SDK提供的類別都是繼承自Collection的「子介面」如List和Set。
所有實作Collection介面的類別都必須提供兩個標準的建構子：無參數的建構子用來建立一個空的Collection，有一個Collection參數的建構子用來建立一個新的Collection，這個新的Collection與傳入的Collection有相同的元素。後一個建構函式允許使用者複製一個Collection。 
如何遍歷Collection中的每一個元素？不論Collection的實際類型如何，它都支援一個iterator()的方法，該方法傳回一個迭代子，使用該迭代子即可逐一存取Collection中每一個元素。典型的用法如下： 

Iterator it = collection.iterator(); // 获得一个迭代子 
while(it.hasNext()) { 
Object obj = it.next(); // 得到下一个元素 
}

由Collection介面派生的兩個介面是List和Set。 
List介面 
List是有序的Collection，使用此介面能夠精確的控制每個元素插入的位置。使用者能夠使用索引（元素在List中的位置，類似於陣列下標）來存取List中的元素，這類似於Java的陣列。 
和下面要提的Set不同，List允許有相同的元素。
除了具有Collection接口必備的iterator()方法外，List還提供一個listIterator()方法，返回一個ListIterator接口，和標準的Iterator接口相比，ListIterator多了一些add()之類的方法，允許添加，刪除，設定元素，還能向前或向後遍歷。 
實作List介面的常用類別有LinkedList，ArrayList，Vector和Stack。 
LinkedList類別 
LinkedList實作了List接口，允許null元素。另外LinkedList提供額外的get，remove，insert方法在LinkedList的首部或尾部。這些操作使LinkedList可被用作堆疊（stack），佇列（queue）或雙向佇列（deque）。 
注意LinkedList沒有同步方法。如果多個執行緒同時存取一個List，則必須自行實作存取同步。一個解決方法是在建立List時建構一個同步的List： 
List list = Collections.synchronizedList(new LinkedList(...)); 
ArrayList類別 
ArrayList實作了可變大小的陣列。它允許所有元素，包括null。 ArrayList沒有同步。 
size，isEmpty，get，set方法運行時間為常數。但是add方法開銷為分攤的常數，增加n個元素需要O(n)的時間。其他的方法運行時間為線性。 
每個ArrayList實例都有一個容量（Capacity），也就是用於儲存元素的陣列的大小。這個容量可隨著不斷添加新元素而自動增加，但是成長演算法並沒有定義。當需要插入大量元素時，在插入前可以呼叫ensureCapacity方法來增加ArrayList的容量以提高插入效率。 
和LinkedList一樣，ArrayList也是非同步的（unsynchronized）。 
Vector類別 
Vector非常類似ArrayList，但是Vector是同步的。由Vector創建的Iterator，雖然和ArrayList創建的Iterator是同一接口，但是，因為Vector是同步的，當一個Iterator被創建而且正在被使用，另一個線程改變了Vector的狀態（例如，添加或刪除了一些元素），這時呼叫Iterator的方法時將拋出ConcurrentModificationException，因此必須捕獲該異常。 
Stack 類別 
Stack繼承自Vector，實作一個後進先出的堆疊。 Stack提供5個額外的方法使得Vector得以被當作堆疊使用。基本的push和pop方法，還有peek方法得到棧頂的元素，empty方法測試堆疊是否為空，search方法檢測一個元素在堆疊中的位置。 Stack剛建立後是空棧。 
Set介面 
Set是一種不包含重複的元素的Collection，即任意的兩個元素e1和e2都有e1.equals(e2)=false，Set最多有一個null元素。 
很明顯，Set的建構子有一個限制條件，傳入的Collection參數不能包含重複的元素。 
請注意：必須小心操作可變物件（Mutable Object）。如果一個Set中的可變元素改變了自身狀態導致Object.equals(Object)=true將會導致一些問題。 
Map介面 
請注意，Map沒有繼承Collection接口，Map提供key到value的映射。一個Map中不能包含相同的key，每個key只能對應一個value。 Map介面提供3種集合的視圖，Map的內容可以當作一組key集合，一組value集合，或是一組key-value映射。 
Hashtable類別 
Hashtable繼承Map接口，實作一個key-value映射的雜湊表。任何非空（non-null）的物件都可作為key或value。 
新增資料使用put(key, value)，取出資料使用get(key)，這兩個基本運算的時間開銷為常數。 
Hashtable透過initial capacity和load factor兩個參數調整效能。通常缺省的load factor 0.75較好地實現了時間和空間的均衡。增加load factor可以節省空間但相應的查找時間將增加，這會影響像get和put這樣的操作。 
使用Hashtable的簡單示例如下，將1，2，3放到Hashtable中，他們的key分別是”one”，”two”，”three”： 

Hashtable numbers = new Hashtable(); 
numbers.put(“one”, new Integer(1)); 
numbers.put(“two”, new Integer(2)); 
numbers.put(“three”, new Integer(3));

要取出一个数，比如2，用相应的key： 
Integer n = (Integer)numbers.get(“two”); 
System.out.println(“two = ” + n); 
由于作为key的对象将通过计算其散列函数来确定与之对应的value的位置，因此任何作为key的对象都必须实现hashCode和equals方法。hashCode和equals方法继承自根类Object，如果你用自定义的类当作key的话，要相当小心，按照散列函数的定义，如果两个对象相同，即obj1.equals(obj2)=true，则它们的hashCode必须相同，但如果两个对象不同，则它们的hashCode不一定不同，如果两个不同对象的hashCode相同，这种现象称为冲突，冲突会导致操作哈希表的时间开销增大，所以尽量定义好的hashCode()方法，能加快哈希表的操作。 
如果相同的对象有不同的hashCode，对哈希表的操作会出现意想不到的结果（期待的get方法返回null），要避免这种问题，只需要牢记一条：要同时复写equals方法和hashCode方法，而不要只写其中一个。 
Hashtable是同步的。 
HashMap类 
HashMap和Hashtable类似，不同之处在于HashMap是非同步的，并且允许null，即null value和null key。，但是将HashMap视为Collection时（values()方法可返回Collection），其迭代子操作时间开销和HashMap的容量成比例。因此，如果迭代操作的性能相当重要的话，不要将HashMap的初始化容量设得过高，或者load factor过低。 
WeakHashMap类 
WeakHashMap是一种改进的HashMap，它对key实行“弱引用”，如果一个key不再被外部所引用，那么该key可以被GC回收。 
总结 
如果涉及到堆栈，队列等操作，应该考虑用List，对于需要快速插入，删除元素，应该使用LinkedList，如果需要快速随机访问元素，应该使用ArrayList。 
如果程序在单线程环境中，或者访问仅仅在一个线程中进行，考虑非同步的类，其效率较高，如果多个线程可能同时操作一个类，应该使用同步的类。 
要特别注意对哈希表的操作，作为key的对象要正确复写equals和hashCode方法。 
尽量返回接口而非实际的类型，如返回List而非ArrayList，这样如果以后需要将ArrayList换成LinkedList时，客户端代码不用改变。这就是针对抽象编程。

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