java主要集合類的資料結構學習

在程式中，集合類每天都在使用，以致於某些代碼充斥著List和Map，一直沒有機會整理下它們背後的實現原理。這幾天不太忙，正好可以看會代碼，補充下概念。 
和集合類的大致分類類似，下面我也分List,Map和Set來描述。 

一．List 
1).ArrayList 

 
ArrayList維護著一個對象數組。如果調用new ArrayList()後，它會預設初始一個size=10的數組。 
每次add操作都要檢查數組容量，如果不夠，重新設定一個初始容量1.5倍大小的新數組，然後再把每個元素copy過去。 
在數組中間插入或刪除，都要移動後面的所有元素。（使用System.arraycopy()） 

2).LindedList 
LinkedList的實現是一個雙向鏈表。每個節點除含有元素外，還包含向前，向後的指標。 
建立一個LinkedList，產生一個前端節點（header，就是一個頭指標），它的元素為null。 

 
它自包含，next和previous指標都指向自己。 
執行add(Object obj)方法後，會產生一個新節點 

 
Header節點的next指向鏈表的第一個節點，previous指向鏈表的最後一個節點，在這裡都是first。 
再增加一個對象，它的形狀像下面這樣。 

現在是一個標準的雙向鏈表形狀。每個節點都有自己的next和previous指標。 
增加節點，只會對鏈表的指標進行操作，速度快 
LinkedList實現了Deque，所以它有雙向隊列的特徵，在鏈表兩端可增刪資料 
使用index尋找對象時，會以index和size/2比較，從前或從後向中間搜尋 
ListIterator可向前或向後迭代 

比較ArrayList和LinkedList的結構，就可以得出： 
1．ArrayList的remove和add(index, Object)操作代價高，需要移動後面的每個元素。 
2．LinkedList的get(index)操作代價高，它要先迴圈遍曆list，找到Object 

二．Map 
1).HashMap 
HashMap的結構是一個散列桶，桶內的每一個索引值對（key/value）稱為一個元素（entry），當有多個元素時，通過鏈錶鏈接起來。初始化時產生如下結構 

 
每個bucket是包含一個或多個Entry(map自訂的一種結構，包含一個往後的指標)的鏈表。 
在put(key, value)後，它的結構如下 

 
將key的hashcode再次散列，然後用這個hash和length-1進行按位與操作，得到bucket的index，然後檢查當前bucket的鏈表，有沒有這個key,如果有替換value，沒有則跟在鏈表的最後。 
允許key和value都可以是null 
Index=0的bucket存key=null的value，也可以是其它hashcode為0的項 
初始容量必須為2的冪次（我的理解是，在產生index的時候有這樣的代碼:hase ^ (length - 1)）（註：^為按位異或操作），length – 1的二進位代碼為全1,則容易進行hash的設計） 
如果兩個key散列後的index一樣的話，第一個key產生的Entry先存在桶中，第二個key產生的Entry會將第一個Entry設為自己的next，串起來。（中，先put(yy, “first”)，會將這個Entry設為bucket的第一項，後put(xx,”second”)，則產生新Entry，它的next為key為yy的Entry，產生一個鏈表） 
在put操作中，會比較threshold（capacity * load_factor，一個臨界值），如果size > threshold的話，產生一個當前bucket兩倍數量的buckets，然後把現有的資料重新散列到新bucket中 
對HashMap迭代時，返回資料的順序是:index從0到length-1，迴圈遍曆每個bucket，把不為null的資料取出，每個bucket內的順序由鏈表的順序決定。而不是由插入資料決定。 

2).LinkedHashMap 
上面說過，Map的迭代不由插入順序決定。如果要保持這種順序呢？就要新增加一種結構來保持。 

 
LinkedHashMap是HashMap的子類，增加一個雙向鏈表，用來儲存每個新加入的節點。在遍曆時，按鏈表的順序進行。其實差不多就是上面HashMap和LinkedList的和吧。 

區別：
1、HashMap裡面存入的索引值對在取出的時候是隨機的，是我們最常用的一個Map。它根據鍵的HashCode值儲存資料，根據鍵可以直接擷取它的值，具有很快的訪問速度。在Map 中插入、刪除和定位元素，HashMap 是最好的選擇。

2、 LinkedHashMap 繼承了HashMap，如果需要輸出的順序和插入的相同，那麼用LinkedHashMap可以實現；LinkedHashMap還可以通過設定accessOrder為true來實現LRU順序的輸出。

3、TreeMap取出來的是排序後的索引值對。但如果要按自然順序或自訂順序遍曆鍵，那麼TreeMap是一個很好的選擇。 

 

三．Set 
1).HashSet 
HashSet使用HashMap來保持元素。Key = 元素，value是一個公有的對象，對每個元素都一樣，在HashMap裡面key是惟一的，當然很適合於構造set集合。等同於用HashMap封裝了次，顯示Set自己的特性。 

最後還要提到集合類裡面一個很重要的類:Collections，它有很多自己獨特的靜態方法。當然它主要提供幾種特殊集合(List, Map,Set)，可以調用靜態方法來獲得：Unmodifiable*(不可修改集合，不可添加或刪除元素)，Synchronize*(保持同步集合，它的基本每個方法都加鎖，防止並行作業)，Checked*(聲明之始傳入特定類型，以後的操作都會驗證加入元素是否屬於已定類型)，Singleton*(集合中只包含一個元素)。它們都是通過封裝集合類中的抽象類別獲得，產生不同的行為。 

上面是常見的幾種集合類，其它類我很少使用到。

原文連結：http://langyu.iteye.com/blog/360728