一篇搞定Java集合類原理
Java集合類實現原理
1.Iterable介面
- 定義了迭代集合的迭代方法
iterator()
forEach() 對1.8的Lambda表達式提供了支援
2. Collection介面
- 定義了集合添加的通用方法
int size();
boolean isEmpty();
boolean contains();
boolean add()
boolean addAll()
boolean remove()
removeAll()
Object[] toArray()
3.List介面
- 元素被添加到集合中以後，取出的時候是按照放入順序。
List可以重複。- 存在下標，可以直接依靠下標取值
E get()
E set()
E indexOf()
int lastIndexOf()
ListIterator listIterator()
3.1 ArrayList類
- 底層是一個
Object數組。
transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
- 初始容量為10
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
- 當數組容量不夠是自動擴容為以前的1.5倍
private int newCapacity(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
- 數組最大容量為
Integer.MAX_VALUE-8
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
- 執行緒不安全
3.2.Vector類（不常用）
- 底層是一個
Object數組
protected Object[] elementData;
- 初始容量為10
public Vector() {
this(10);
}
- 數組容量不夠的時候自動擴容為原來的一倍
int oldCapacity = elementData.length;
int newCapacity = oldCapacity + ((capacityIncrement > 0) ?
capacityIncrement : oldCapacity);
- 數組最大容量為
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
- 執行緒安全
3.3 LinkedList
- 底層是一個列表
/**
* Pointer to first node.
*/
transient Node<E> first;
/**
* Pointer to last node.
*/
transient Node<E> last;
- 存放節點個數
transient int size = 0;
- 默認構造方法增加元素實現原理
//當默認構造的時候,創建集合的時候
public LinkedList() {
}
//使用添加方法,直接將元素添加到末尾
public boolean add(E e) {
linkLast(e);
return true;
}
//給尾部添加元素
void linkLast(E e) {
//獲取最後一個元素
final Node<E> l = last;
//新創建一個介面，其尾結點為null
final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
//將數組中存儲最後一個介面的元素複製
last = newNode;
//如果此時集合為null，則另第一個節點也為該元素，否則就將這個元素的下一個節點設置為該元素節點
if (l == null)
first = newNode;
else
l.next = newNode;
//節點數量增加
size++;
modCount++;
}
- 指定下標增加元素實現原理
//LinkedList支援指定的索引出增加節點
public void add(int index, E element) {
//檢查傳入的索引是否符合要求
checkPositionIndex(index);
//如果這個索引是最後一個節點，則直接添加
if (index == size)
linkLast(element);
else
//否則
linkBefore(element, node(index));
}
//返回了指定下標的Node
Node<E> node(int index) {
// assert isElementIndex(index);
//如果此時的下標小於節點的一半，相當於一個二分查找的方法，
if (index < (size >> 1)) {
Node<E> x = first;
for (int i = 0; i < index; i++)
x = x.next;
return x;
} else {
Node<E> x = last;
for (int i = size - 1; i > index; i--)
x = x.prev;
return x;
}
//將需要插入的元素進行插入
void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
// assert succ != null;
final Node<E> pred = succ.prev;
final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
succ.prev = newNode;
if (pred == null)
first = newNode;
else
pred.next = newNode;
size++;
modCount++;
}
實現的思想可以歸結為：每一次的插入或者移除，都是通過
node()方法獲取指定的Node節點，然後通過linkBefore或者linkLast這些方法來具體進行鏈表的操作。
4.Set介面
- 插入無序
- 元素不能重複
- 底層均為
Map集合實現
4.1 TreeSet類
先來瞅一眼這個類的繼承關係吧
- 實現了
AbstractSet擁有了Set的屬性和方法 - 實現了
NavigableSet，支援一系列導航方法，可以進行精確查找
剖析一下這個類的源碼
- 底層實現
TreeMap結構
public class TreeSet<E> extends AbstractSet<E>
implements NavigableSet<E>, Cloneable, java.io.Serializable
{
/**
* 存放生成的TreeMap集合
*/
private transient NavigableMap<E,Object> m;
// 作為值添加到TreeMap中，即每一個Entry的鍵不同但值相同，都是一個對象的地址
private static final Object PRESENT = new Object();
public TreeSet() {
this(new TreeMap<>());
}
TreeSet(NavigableMap<E,Object> m) {
this.m = m;
}
//添加方法
public boolean add(E e) {
return m.put(e, PRESENT)==null;
}
- 進行了排序。(在HashMap原理進行分析)
4.2 HashSet類
- 底層基於
HashMap
//鍵
private transient HashMap<E,Object> map;
// 值
private static final Object PRESENT = new Object();
//構造
public HashSet() {
map = new HashMap<>();
}
- 無序
- 不可重複
4.3 LinkedHashSet類
- 底層基於
LinkedHashMap實現，通過LinkedHashMap中的方法實現了順序存值。具體實現可看下面的LinkedHashMap
public LinkedHashSet() {
super(16, .75f, true);
}
HashSet(int initialCapacity, float loadFactor, boolean dummy) {
map = new LinkedHashMap<>(initialCapacity, loadFactor);
}
5. Map類
- 鍵值對的形式存放數據
- 定義了通用的方法
- 不可重複
int size()
isEmpty();
containsKey()
containsValue()
get()
put()
remove()
keyset()
values()
entrySet()
5.1Entry類
- Map類的內部類，用來獲取所有的鍵值
5.2HashMap類
put的時候，會通過hash演算法，計算一個index，這個index就是節點數組的下標，此時這個實體就被存儲到這個數組中。但是由於這個hash演算法不能保證任何一個key值計算出來的hash值均相同，所以採用鏈表的方式，掛載相同的index的實體。在1.8以後，當鏈表的節點數量大於或者等於8的時候且數組的容量大於64的時候，就會將鏈錶轉換為紅黑樹
- 底層實現：數組+鏈表或者紅黑樹
//保存的數組，初始化16個
transient Node<K,V>[] table;
//為entrySet和value提供一個快取
transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet;
//元素的數量
transient int size;
//初始容量
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
//最大容量
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
//數組遞增的策略 當size > capacity*loadFacotor的時候遞增
final float loadFactor;
Node節點的定義(列表)
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash;
final K key;
V value;
Node<K,V> next;
Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
this.hash = hash;
this.key = key;
this.value = value;
this.next = next;
}
- 初始容量為16的原因
//hash演算法，保證哈希值平均分布，只有當為16的時候才可以最大程度的保證平均分布
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
put方法
//創建一個HashMap對象，並且設定它的遞增策略為0.75倍
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
//執行put方法
public V put(K key, V value) {
//key通過hash演算法計算一個index
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
//第一次進入為null,所以執行初始化容器大小
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
//此時返回的就是初始化容器以後的大小即16
n = (tab = resize()).length;
//計算下標，如果等於null，直接賦值
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
//如果該數組剛好有值，則採用鏈表或者紅黑樹的方式添加數據節點
Node<K,V> e; K k;
//判斷兩個節點是否相等
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
//判斷當前節點是否屬於紅黑樹節點
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
//如果不是直接進行鏈表連接
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
//將當前節點的下一個節點設置為新的實體節點
p.next = newNode(hash, key, value, null);
//如果此時的節點容量為7那麼將鏈錶轉換為紅黑樹
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
//判斷新傳入的實體和當前綁定節點的子節點是否相同，如果相同直接退出
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
//進入這個子節點
p = e;
}
}
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
//修改次數
++modCount;
//查看當前容器的容量是否大於threshold ,如果大於增加數組容量為原來的一倍
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
//初始化容器大小
final Node<K,V>[] resize() {
Node<K,V>[] oldTab = table;
//舊容量為0
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
int oldThr = threshold;
//設置當前容器的遞增為0
int newCap, newThr = 0;
//此時的oldCap=0 , newThr = 0 直接else執行
if (oldCap > 0) {
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
//擴容，將數組的容量和擴容因子變為原來的一倍
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}
else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
newCap = oldThr;
else { // zero initial threshold signifies using defaults
//初始化容器為默認16
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
//初始化闕值
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
if (newThr == 0) {
float ft = (float)newCap * loadFactor;
newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
(int)ft : Integer.MAX_VALUE);
}
threshold = newThr;
@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
//初始化存儲容器數組
table = newTab;
5.2.1 Hash數據結構
在java中所有的數據結構都可以使用數組和指針即引用來實現。而Hash也成散列，就是一個鏈表加數組實現。
Hash數據結構具有無序的特徵。這裡的無序指的是存入順序於取出順序不一樣。
什麼是Hash表的負載因子？負載因子代表了Hash表的空間填充度，即負載因子越大其對空間的使用率越高，但這也造成了查詢速度慢，而負載因子越小，其查詢速度越快，空間填充度越低。所以在使用的過程一般會通過保持一個平衡。如HashMap的負載因子初始化為0.75.保證了兩者之間的權衡。
Hash表如何存儲數據？Hash表的每一次存儲都會先調用一個Hash函數，而這個Hash函數最後運算的值就是所存儲數據的下標。即當需要查詢數據的時候，僅僅只需要調用Hash函數進行一次計算就可以得出該數據所在的下標。
5.2.2 HashMap中的數據結構實現
下面詳細解析一下HashMap中的Hash表的實現
在HashMap初始化的時候，首先會給內部的負載因子賦值為0.75，然後創建對象，注意此時的HashMap內部的Node數組並沒有實例化。
開始put數據，此時put方法會調用putVal()方法，但在調用這個putVal方法之前，他首先通過hash演算法計算了一次這個key所對應的哈希值，而在putVal()方法中，又將這個哈希值通過和數組的容量-1進行&運算，得出了在這個數組的容量範圍內的一個index。此時這個key所需要存儲的index正式確定。
確定key以後，需要判斷該index下有沒有值，如果有，判斷新增的這個元素與現有這個元素是否相同，如果相同，替換該值；如果不相同，遍歷這個鏈表，判斷這個鏈表中是否存在和新增元素相同的值，如果不存在則直接添加到鏈表尾部，如果存在，替換該值；當然如果此時鏈表中節點的個數大於或者等於8且數組的容量大於64的時候以後就將鏈錶轉化為紅黑樹。
containKey方法的實現，就是直接通過hash方法計算出哈希值，然後通過&運算，獲取數組下標，判斷這個下標是否為該值，如果不是，則進行遍歷鏈表或者紅黑樹。
containeValue方法實現，一級一級遍歷時間複雜度似乎蠻高的
5.3 LinkedHashMap類
我們所知道的LinkedHashMap類可以順序的輸出用戶所輸入的數據。下面談一下他的實現方式
LinkedHashMap中定義了一個Entry類，繼承了HashMap.Node節點類，額外定義了兩個屬性，before和after，還有最重要的一個方法newNode，這個方法被LinkedHashMap重寫，確定了順序性。看到這也就知道這是雙向鏈表的兩個值了。LinkedHashMap在每一次put元素之後都要將該元素的上一個節點設置為之前的那個節點。程式碼說明！！！
- 成員屬性
// 鏈表的第一個節點，LinkedHashMap會保存鏈表的最後一個節點的屬性，以方便進行節點添加
transient LinkedHashMap.Entry<K,V> head;
// 鏈表的最後一個節點
transient LinkedHashMap.Entry<K,V> tail;
- 創建對象了
//老方法，new個對象再說（單身狗的吶喊）
public LinkedHashMap() {
super();
accessOrder = false;
}
//直接調用HashMap的put方法
public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
//在putVal中調用了
afterNodeAccess(e);
afterNodeInsertion(evict);
Node<K,V> newNode(int hash, K key, V value, Node<K,V> e) {
LinkedHashMap.Entry<K,V> p =
new LinkedHashMap.Entry<>(hash, key, value, e);
linkNodeLast(p);
return p;
}
// link at the end of list
private void linkNodeLast(LinkedHashMap.Entry<K,V> p) {
//獲取最後一個節點
LinkedHashMap.Entry<K,V> last = tail;
//將最後一個節點定義為新增的節點
tail = p;
//如果等於null那麼說明之前沒有元素
if (last == null)
head = p;
else {
//如果有，將這個元素的上一個節點定義為之前的最後一個元素
p.before = last;
//最後一個節點的下一個元素定義為新元素
last.after = p;
}
}
//判斷這個新的節點是否為最後一個節點，如果不是移動該節點到最後
void afterNodeAccess(Node<K,V> e) { // move node to last
LinkedHashMap.Entry<K,V> last;
//查看當前最後一個節點是否為當前新增的元素
if (accessOrder && (last = tail) != e) {
//p為當前元素，a為下一個元素，b為上一個元素
LinkedHashMap.Entry<K,V> p =
(LinkedHashMap.Entry<K,V>)e, b = p.before, a = p.after;
//將p的下一個元素定義為null，切斷和之前元素的聯繫
p.after = null;
//如果上一個元素為null ，則說明將該節點的下一個節點賦值為頭結點
if (b == null)
head = a;
else
//否則，將上一個節點的下一個節點定義為a，到此，這個新的節點已經被獨立出來了
b.after = a;
//如果此時a不為null
if (a != null)
//則直接賦值
a.before = b;
else
last = b;
if (last == null)
head = p;
else {
p.before = last;
last.after = p;
}
tail = p;
++modCount;
}
}
//永遠不起作用removeEldestEntry方法永遠返回false
void afterNodeInsertion(boolean evict) { // possibly remove eldest
LinkedHashMap.Entry<K,V> first;
if (evict && (first = head) != null && removeEldestEntry(first)) {
K key = first.key;
removeNode(hash(key), key, null, false, true);
}
}
protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K,V> eldest) {
return false;
}
5.4 TreeMap類
- 底層實現：紅黑樹
- 繼承了NavigableMap介面，NavigableMap介面繼承了SortedMap介面，可支援一系列導航方法即導航操作
- 實現了Cloneable介面，可被克隆
- 自然排序
5.4.1TreeMap創建源碼分析
- TreeMap定義的欄位
//比較器
private final Comparator<? super K> comparator;
//根節點
private transient Entry<K,V> root;
//節點數量
private transient int size = 0;
//修改次數
private transient int modCount = 0;
//紅黑顏色判斷
private static final boolean RED = false;
private static final boolean BLACK = true;
//節點實體
static final class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
K key;
V value;
Entry<K,V> left;
Entry<K,V> right;
Entry<K,V> parent;
//默認顏色為黑色
boolean color = BLACK;
}
- 創建對象
public TreeMap() {
//默認構造器
comparator = null;
}
public TreeMap(Comparator<? super K> comparator) {
//傳入自定義的構造器
this.comparator = comparator;
}
public TreeMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
comparator = null;
putAll(m);
}
- Put對象
public V put(K key, V value) {
//賦值
Entry<K,V> t = root;
//如果此時的root為null
if (t == null) {
//檢查這個key是否為null
compare(key, key); // type (and possibly null) check
//創建根節點
root = new Entry<>(key, value, null);
size = 1;//設置節點數量
modCount++;//修改次數增加
return null;
}
//定義比較值
int cmp;
Entry<K,V> parent;
// split comparator and comparable paths
Comparator<? super K> cpr = comparator;
//如果此時存在自定義比較器，根據比較器規則進行二分比較
if (cpr != null) {
do {
parent = t;
cmp = cpr.compare(key, t.key);
if (cmp < 0)
t = t.left;
else if (cmp > 0)
t = t.right;
else
//形同替換value值
return t.setValue(value);
} while (t != null);
}
else {
//使用默認的比較器，查找方法一樣
if (key == null)
throw new NullPointerException();
@SuppressWarnings("unchecked")
Comparable<? super K> k = (Comparable<? super K>) key;
do {
parent = t;
cmp = k.compareTo(t.key);
if (cmp < 0)
t = t.left;
else if (cmp > 0)
t = t.right;
else
return t.setValue(value);
} while (t != null);
}
//沒有當前節點，則創建該元素的實體節點
Entry<K,V> e = new Entry<>(key, value, parent);
//根據比較器規則，添加節點
if (cmp < 0)
parent.left = e;
else
parent.right = e;
//紅黑樹自動平衡演算法
fixAfterInsertion(e);
//節點數量，修改數量遞增
size++;
modCount++;
return null;
}
5.4.2 TreeMap對象增加的過程
創建一個TreeMap，此時可以傳入一個比較器，如果不傳入按照默認的自然順序進行比較。
put對象，首先，檢查該root節點是否為null，如果為null，檢查當前傳入key是否為null，不為null，則直接創建一個root節點。如果當前root節點有值，則通過二分查找，尋找當前可以進行添加的父節點，找到以後按照比較器規則進行添加。
添加以後，紅黑樹進行自動平衡實現。
5.5 HashTable類
HashTable也是基於哈希表實現，和HashMap不同的是HashTable是執行緒安全的。
- 底層實現：哈希表+鏈表
private transient Entry<?,?>[] table;//存儲數組
private transient int count;//容器中數據多少
private int threshold;//容器容量達到次數以後進行修改
private transient int modCount = 0;//修改次數
- Hash函數
int hash = key.hashCode();
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
- 初始化。在構造方法中初始化。初始化指為11
public Hashtable(int initialCapacity, float loadFactor) {
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
initialCapacity);
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal Load: "+loadFactor);
if (initialCapacity==0)
initialCapacity = 1;
this.loadFactor = loadFactor;
table = new Entry<?,?>[initialCapacity];
threshold = (int)Math.min(initialCapacity * loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE + 1);
}
- put方法
public synchronized V put(K key, V value) {
// Make sure the value is not null
if (value == null) {
throw new NullPointerException();
}
// Makes sure the key is not already in the hashtable.
Entry<?,?> tab[] = table;
//hash函數計算一個index
int hash = key.hashCode();
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
@SuppressWarnings("unchecked")
Entry<K,V> entry = (Entry<K,V>)tab[index];
for(; entry != null ; entry = entry.next) {
if ((entry.hash == hash) && entry.key.equals(key)) {
V old = entry.value;
entry.value = value;
return old;
}
}
addEntry(hash, key, value, index);
return null;
}
//增加實體
private void addEntry(int hash, K key, V value, int index) {
Entry<?,?> tab[] = table;
if (count >= threshold) {
// Rehash the table if the threshold is exceeded
rehash();
tab = table;
hash = key.hashCode();
index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
}
// Creates the new entry.
@SuppressWarnings("unchecked")
Entry<K,V> e = (Entry<K,V>) tab[index];
tab[index] = new Entry<>(hash, key, value, e);
count++;
modCount++;
}
5.5.1 HashTable和HashMap的區別
| HashTable | HashMap | |
|---|---|---|
| 底層時間 | 哈希表+鏈表 | 哈希表+鏈表+紅黑樹 |
| 初始化時間及大小 | 構造方法初始化，大小為11 | put方法初始化，大小為16 |
| 執行緒安全 | 安全 | 不安全 |
| Hash值 | 直接使用了hashcode | 重新計算 |
| 擴容 | 二倍+1 | 二倍 |
5.6 Properties類
- Java配置文件中用的居多
- 可以直接通過load方法載入配置文件，通過store方法存儲配置文件
- 泛型鎖定，為兩個String類型
