詳解java中的資料結構

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　　線性表，鏈表，雜湊表是常用的資料結構，在進行Java開發時，JDK已經為我們提供了一系列相應的類來實現基本的資料結構。這些類均在java.util包中。本文試圖通過簡單的描述，向讀者闡述各個類的作用以及如何正確使用這些類。

 

Collection

├List

│├LinkedList

│├ArrayList

│└Vector

│　└Stack

└Set

Map

├Hashtable

├HashMap

└WeakHashMap

 

Collection介面

　　Collection是最基本的集合介面，一個Collection代表一組Object，即Collection的元素（Elements）。一些Collection允許相同的元素而另一些不行。一些能排序而另一些不行。Java SDK不提供直接繼承自Collection的類，Java SDK提供的類都是繼承自Collection的“子介面”如List和Set。

　　所有實現Collection介面的類都必須提供兩個標準的建構函式：無參數的建構函式用於建立一個空的Collection，有一個Collection參數的建構函式用於建立一個新的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。

　　如何遍曆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，該方法返回一個迭代子，使用該迭代子即可逐一訪問Collection中每一個元素。典型的用法如下：

Iterator it = collection.iterator(); // 獲得一個迭代子  while(it.hasNext()) {      Object obj = it.next(); // 得到下一個元素  }

　　由Collection介面派生的兩個介面是List和Set。

　　主要方法：

• boolean add(Object o)添加對象到集合
• boolean remove(Object o)刪除指定的對象
• int size()返回當前集合中元素的數量
• boolean contains(Object o)尋找集合中是否有指定的對象
• boolean isEmpty()判斷集合是否為空白
• Iterator iterator()返回一個迭代器
• boolean containsAll(Collection c)尋找集合中是否有集合c中的元素
• boolean addAll(Collection c)將集合c中所有的元素添加給該集合
• void clear()刪除集合中所有元素
• void removeAll(Collection c)從集合中刪除c集合中也有的元素
• void retainAll(Collection c)從集合中刪除集合c中不包含的元素

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，類似於數組下標）來訪問List中的元素，這類似於Java的數組。

　　和下面要提到的Set不同，List允許有相同的元素。

　　除了具有Collection介面必備的iterator()方法外，List還提供一個listIterator()方法，返回一個ListIterator介面，和標準的Iterator介面相比，ListIterator多了一些add()之類的方法，允許添加，刪除，設定元素，還能向前或向後遍曆。

　　實現List介面的常用類有LinkedList，ArrayList，Vector和Stack。

　　主要方法：

• void add(int index,Object element)在指定位置上添加一個對象
• boolean addAll(int index,Collection c)將集合c的元素添加到指定的位置
• Object get(int index)返回List中指定位置的元素
• int indexOf(Object o)返回第一個出現元素o的位置
  
• Object removeint(int index)刪除指定位置的元素
• Object set(int index,Object element)用元素element取代位置index上的元素，返回被取代的元素

LinkedList類

　　LinkedList實現了List介面，允許null元素。此外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可被用作堆棧（stack），隊列（queue）或雙向隊列（deque）。

　　注意LinkedList沒有同步方法。如果多個線程同時訪問一個List，則必須自己實現訪問同步。一種解決方案是在建立List時構造一個同步的List：

List list = Collections.synchronizedList(new LinkedList(...)); 

ArrayList類

　　ArrayList實現了可變大小的數組。它允許所有元素，包括null。ArrayList沒有同步。

　　size，isEmpty，get，set方法已耗用時間為常數。但是add方法開銷為分攤的常數，添加n個元素需要O(n)的時間。其他的方法已耗用時間為線性。

　　每個ArrayList執行個體都有一個容量（Capacity），即用於儲存元素的數組的大小。這個容量可隨著不斷添加新元素而自動增加，但是增長演算法並沒有定義。當需要插入大量元素時，在插入前可以調用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）。

　　主要方法：

• Boolean add(Object o)將指定元素添加到列表的末尾
• Boolean add(int index,Object element)在列表中指定位置加入指定元素
• Boolean addAll(Collection c)將指定集合添加到列表末尾
• Boolean addAll(int index,Collection c)在列表中指定位置加入指定集合
• Boolean clear()刪除列表中所有元素
• Boolean clone()返回該列表執行個體的一個拷貝
• Boolean contains(Object o)判斷列表中是否包含元素
• Boolean ensureCapacity(int m)增加列表的容量，如果必須，該列表能夠容納m個元素
• Object get(int index)返回列表中指定位置的元素
• Int indexOf(Object elem)在列表中尋找指定元素的下標
• Int size()返回當前列表的元素個數

Vector類

　　Vector非常類似ArrayList，但是Vector是同步的。

　　由Vector建立的Iterator，雖然和ArrayList建立的Iterator是同一介面，但是，因為Vector是同步的，當一個Iterator被建立而且正在被使用，另一個線程改變了Vector的狀態（例如，添加或刪除了一些元素），這時調用Iterator的方法時將拋出ConcurrentModificationException，因此必須捕獲該異常。

Stack 類

　　Stack繼承自Vector，實現一個後進先出的堆棧。Stack提供5個額外的方法使得Vector得以被當作堆棧使用。基本的push和pop方法，還有peek方法得到棧頂的元素，empty方法測試堆棧是否為空白，search方法檢測一個元素在堆棧中的位置。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的建構函式有一個約束條件，傳入的Collection參數不能包含重複的元素。

　　請注意：必須小心操作可變對象（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將導致一些問題。

Map介面

　　請注意，Map沒有繼承Collection介面，Map提供key到value的映射。一個Map中不能包含相同的key，每個key只能映射一個value。Map介面提供3種集合的視圖，Map的內容可以被當作一組key集合，一組value集合，或者一組key-value映射。

　　Map用於儲存具有映射關係的資料，Map裡儲存著兩組資料：key和value，它們都可以使任何參考型別的資料，但key不能重複。所以通過指定的key就可以取出對應的value。Map介面定義了如下常用的方法：

• boolean equals(Object o)比較對象
• boolean remove(Object o)刪除一個對象
• put(Object key,Object value)添加key和value

• 1、void clear():刪除Map中所以索引值對。

  2、boolean containsKey(Object key):查詢Map中是否包含指定key，如果包含則返回true。

  3、boolean containsValue(Object value):查詢Map中是否包含指定value，如果包含則返回true。

  4、Set entrySet():返回Map中所包含的索引值對所組成的Set集合，每個集合元素都是Map.Entry對象(Entry是Map的內部類)。

  5、Object get(Object key):返回指定key所對應的value，如Map中不包含key則返回null。

  6、boolean isEmpty():查詢Map是否為空白，如果空則返回true。

  7、Set keySet():返回該Map中所有key所組成的set集合。

  8、Object put(Object key,Object value):添加一個索引值對，如果已有一個相同的key值則新的索引值對覆蓋舊的索引值對。

  9、void putAll(Map m):將指定Map中的索引值對複製到Map中。

  10、Object remove(Object key):刪除指定key所對應的索引值對，返回可以所關聯的value，如果key不存在，返回null。

  11、int size():返回該Map裡的索引值對的個數。

  12、Collection values():返回該Map裡所有value組成的Collection。

  Map中包含一個內部類：Entry。該類封裝了一個索引值對，它包含了三個方法：

  1、Object getKey():返回該Entry裡包含的key值。

  2、Object getValeu():返回該Entry裡包含的value值。

  3、Object setValue(V value):設定該Entry裡包含的value值，並返回新設定的value值。

Hashtable類

　　Hashtable繼承Map介面，實現一個key-value映射的雜湊表。任何非空（non-null）的對象都可作為key或者value。

　　添加資料使用put(key, value)，取出資料使用get(key)，這兩個基本操作的時間開銷為常數。

　　Hashtable通過initial capacity和load factor兩個參數調整效能。通常預設的load factor 0.75較好地實現了時間和空間的均衡。增大load factor可以節省空間的但相應的尋找時間將增大，這會影響像get和put這樣的操作。

　　使用Hashtable的簡單樣本如下，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)); 

　　要取出一個數，比如2，用相應的key：

Integer n = (Integer)numbers.get(“two”);

　　由於作為key的對象將通過計算其散列函數來確定與之對應的value的位置，因此任何作為key的對象都必須實現hashCode和equals方法。hashCode和equals方法繼承自根類Object，如果你用自訂的類當作key的話，要相當小心，按照散列函數的定義，如果兩個對象相同，即obj1.equals(obj2)=true，則它們的hashCode必須相同，但如果兩個對象不同，則它們的hashCode不一定不同，如果兩個不同對象的hashCode相同，這種現象稱為衝突，衝突會導致操作雜湊表的時間開銷增大，所以盡量定義好的hashCode()方法，能加快雜湊表的操作。

　　如果相同的對象有不同的hashCode，對雜湊表的操作會出現意想不到的結果（期待的get方法返回null），要避免這種問題，只需要牢記一條：要同時複寫equals方法和hashCode方法，而不要唯寫其中一個。

　　Hashtable是同步的。

HashMap類

　　HashMap和Hashtable類似，不同之處在於HashMap是非同步的，並且允許null，即null value和null key。，但是將HashMap視為Collection時（values()方法可返回Collection），其迭代子操作時間開銷和HashMap的容量成比例。因此，如果迭代操作的效能相當重要的話，不要將HashMap的初始化容量設得過高，或者load factor過低。

HashMap與HashTable的區別：

　　1、 同步性：Hashtable是同步的，這個類中的一些方法保證了Hashtable中的對象是安全執行緒的。而HashMap則是非同步，因此HashMap中的對象並不是安全執行緒的。因為同步的要求會影響執行的效率，所以如果你不需要安全執行緒的集合那麼使用HashMap是一個很好的選擇，這樣可以避免由於同步帶來的不必要的效能開銷，從而提高效率。

　　2、 值：HashMap可以讓你將空值作為一個表的條目的key或value，但是Hashtable是不能放入空值的。HashMap最多隻有一個key值為null，但可以有無數多個value值為null。

　　注意：

　　1、用作key的對象必須實現hashCode和equals方法。

　　2、不能保證其中的索引值對的順序

　　3、盡量不要使用可變對象作為它們的key值。

WeakHashMap類

　　WeakHashMap是一種改進的HashMap，它對key實行“弱引用”，如果一個key不再被外部所引用，那麼該key可以被GC回收。

　　WeakHashMap與HashMap的用法基本相同，區別在於：後者的key保留對象的強引用，即只要HashMap對象不被銷毀，其對象所有key所引用的對象不會被記憶體回收，HashMap也不會自動刪除這些key所對應的索引值對對象。但WeakHashMap的key所引用的對象沒有被其他強引用變數所引用，則這些key所引用的對象可能被回收。WeakHashMap中的每個key對象儲存了實際對象的弱引用，當回收了該key所對應的實際對象後，WeakHashMap會自動刪除該key所對應的索引值對。

public static void main(String[] args) {    WeakHashMap w1=new WeakHashMap();    //添加三個索引值對，三個key都是匿名字串，沒有其他引用    w1.put("語文", "良好");    w1.put("數學", "及格");    w1.put("英語", "中等");    w1.put("java", "good");//該key是一個系統緩衝的字串對象    System.out.println(w1 );//輸出{java=good, 數學=及格, 英語=中等, 語文=良好}    //通知系統進行記憶體回收    System.gc();    System.runFinalization();    System.out.println(w1 );//輸出{java=good}，沒有其他引用的索引值對都被回收}

TreeMap：

　　Map介面派生了一個SortMap子介面，SortMap的實作類別為TreeMap。TreeMap也是基於紅/黑樹狀結構對所有的key進行排序，有兩種排序方式：自然排序和定製排序。

　　Treemap的key以TreeSet的形式儲存，對key的要求與TreeSet對元素的要求基本一致。

　　1、Map.Entry firstEntry():返回最小key所對應的索引值對，如Map為空白，則返回null。

　　2、Object firstKey():返回最小key，如果為空白，則返回null。

　　3、Map.Entry lastEntry():返回最大key所對應的索引值對，如Map為空白，則返回null。

　　4、Object lastKey():返回最大key，如果為空白，則返回null。

　　5、Map.Entry higherEntry(Object key):返回位於key後一位的索引值對，如果為空白，則返回null。

　　6、Map.Entry lowerEntry(Object key):返回位於key前一位的索引值對，如果為空白，則返回null。

　　7、Object lowerKey(Object key):返回位於key前一位key值，如果為空白，則返回null。

　　8、NavigableMap subMap(Object fromKey,boolean fromlnclusive,Object toKey,boolean toInciusive):返回該Map的子Map，其key範圍從fromKey到toKey。

　　9、SortMap subMap(Object fromKey,Object toKey );返回該Map的子Map，其key範圍從fromkey（包括）到tokey（不包括）。

　　10、SortMap tailMap（Object fromkey ,boolean inclusive）:返回該Map的子Map，其key範圍大於fromkey（是否包括取決於第二個參數）的所有key。

　　11、 SortMap headMap（Object tokey ,boolean inclusive）:返回該Map的子Map，其key範圍小於tokey（是否包括取決於第二個參數）的所有key。

總結

　　如果涉及到堆棧，隊列等操作，應該考慮用List，對於需要快速插入，刪除元素，應該使用LinkedList，如果需要快速隨機訪問元素，應該使用ArrayList。

　　如果程式在單線程環境中，或者訪問僅僅在一個線程中進行，考慮非同步的類，其效率較高，如果多個線程可能同時操作一個類，應該使用同步的類。

　　要特別注意對雜湊表的操作，作為key的對象要正確複寫equals和hashCode方法。

　　盡量返回介面而非實際的類型，如返回List而非ArrayList，這樣如果以後需要將ArrayList換成LinkedList時，用戶端代碼不用改變。這就是針對抽象編程。

 

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