JAVA資料結構

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。

主要方法:

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

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”);

　　　　System.out.println(“two = ” + n);

　　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。

 

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。

 

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。