集合框架(下)

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Map接口

Map没有继承Collection接口。也就是说Map和Collection是2种不同的集合。Collection可以看作是（value）的集合，而Map可以看作是（key，value）的集合。

Map接口由Map的内容提供3种类型的集合视图，一组key集合，一组value集合，或者一组key-value映射关系的集合。

Hashtable类

Hashtable继承Map接口，实现一个key-value映射的哈希表。任何非空（non-null）的对象都可作为key或者value。

添加数据使用put(key, value)，取出数据使用get(key)，这两个基本操作的时间开销为常数。Hashtable 通过initial capacity和load factor两个参数调整性能。通常缺省的load factor 0.75较好地实现了时间和空间的均衡。增大load factor可以节省空间但相应的查找时间将增大，这会影响像get和put这样的操作。

使用Hashtable的简单示例如下，将1，2，3放到Hashtable中，他们的key分别是”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。

HashMap的数据结构

数组的特点是：寻址容易，插入和删除困难；而链表的特点是：寻址困难，插入和删除容易。那么我们能不能综合两者的特性，做出一种寻址容易，插入删除也容易的数据结构？答案是肯定的，这就是我们要提起的哈希表，哈希表有多种不同的实现方法，我接下来解释的是最常用的一种方法—— 拉链法，我们可以理解为“链表的数组” ，如图：

从上图我们可以发现哈希表是由数组+链表组成的，一个长度为16的数组中，每个元素存储的是一个链表的头结点。那么这些元素是按照什么样的规则存储到数组中呢。一般情况是通过hash(key)%len获得，也就是元素的key的哈希值对数组长度取模得到。比如上述哈希表中，12%16=12,28%16=12,108%16=12,140%16=12。所以12、28、108以及140都存储在数组下标为12的位置。
　　
HashMap其实也是一个线性的数组实现的,所以可以理解为其存储数据的容器就是一个线性数组。这可能让我们很不解，一个线性的数组怎么实现按键值对来存取数据呢？这里HashMap有做一些处理。

首先HashMap里面实现一个静态内部类Entry，其重要的属性有 key , value, next，从属性key,value我们就能很明显的看出来Entry就是HashMap键值对实现的一个基础bean，我们上面说到HashMap的基础就是一个线性数组，这个数组就是Entry[]，Map里面的内容都保存在Entry[]里面。

HashMap的存取实现

既然是线性数组，为什么能随机存取？这里HashMap用了一个小算法，大致是这样实现：

//存储时:
int hash = key.hashCode();// 这个hashCode方法这里不详述,只要理解每个key的hash是一个固定的int值
int index = hash % Entry[].length;
Entry[index] = value;

//取值时:
int hash = key.hashCode();
int index = hash % Entry[].length;
return Entry[index];

到这里我们轻松的理解了HashMap通过键值对实现存取的基本原理

疑问：如果两个key通过hash%Entry[].length得到的index相同，会不会有覆盖的危险？

　　这里HashMap里面用到链式数据结构的一个概念。上面我们提到过Entry类里面有一个next属性，作用是指向下一个Entry。打个比方， 第一个键值对A进来，通过计算其key的hash得到的index=0，记做:Entry[0] = A。一会后又进来一个键值对B，通过计算其index也等于0，现在怎么办？HashMap会这样做:B.next = A,Entry[0] = B,如果又进来C,index也等于0,那么C.next = B,Entry[0] = C；这样我们发现index=0的地方其实存取了A,B,C三个键值对,他们通过next这个属性链接在一起。所以疑问不用担心。也就是说数组中存储的是最后插入的元素。到这里为止，HashMap的大致实现，我们应该已经清楚了。

　　当然HashMap里面也包含一些优化方面的实现，这里也说一下。比如：Entry[]的长度一定后，随着map里面数据的越来越长，这样同一个index的链就会很长，会不会影响性能？HashMap里面设置一个因素（也称为因子），随着map的size越来越大，Entry[]会以一定的规则加长长度。

解决hash冲突的办法

• 开放定址法（线性探测再散列，二次探测再散列，伪随机探测再散列）
• 再哈希法
• 链地址法
• 建立一个公共溢出区

Java中hashmap的解决办法就是采用的链地址法。

实现自己的HashMap

Entry.java

public class Entry<K,V>{
    final K key;
    V value;
    Entry<K,V> next;//下一个结点

    //构造函数
    public Entry(K k, V v, Entry<K,V> n) {
        key = k;
        value = v;
        next = n;
    }

    public final K getKey() {
        return key;
    }

    public final V getValue() {
        return value;
    }

    public final V setValue(V newValue) {
    V oldValue = value;
        value = newValue;
        return oldValue;
    }

    public final boolean equals(Object o) {
        if (!(o instanceof Entry))
            return false;
        Entry e = (Entry)o;
        Object k1 = getKey();
        Object k2 = e.getKey();
        if (k1 == k2 || (k1 != null && k1.equals(k2))) {
            Object v1 = getValue();
            Object v2 = e.getValue();
            if (v1 == v2 || (v1 != null && v1.equals(v2)))
                return true;
        }
        return false;
    }

    public final int hashCode() {
        return (key==null   ? 0 : key.hashCode()) ^ (value==null ? 0 : value.hashCode());
    }

    public final String toString() {
        return getKey() + "=" + getValue();
    }

}

MyHashMap.java

//保证key与value不为空
public class MyHashMap<K, V> {
    private Entry[] table;//Entry数组表
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;//默认数组长度
    private int size;

    // 构造函数
    public MyHashMap() {
        table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
        size = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
    }

    //获取数组长度
    public int getSize() {
        return size;
    }

    // 求index
    static int indexFor(int h, int length) {
        return h % (length - 1);
    }

    //获取元素
    public V get(Object key) {
        if (key == null)
            return null;
        int hash = key.hashCode();// key的哈希值
        int index = indexFor(hash, table.length);// 求key在数组中的下标
        for (Entry<K, V> e = table[index]; e != null; e = e.next) {
            Object k = e.key;
            if (e.key.hashCode() == hash && (k == key || key.equals(k)))
                return e.value;
        }
        return null;
    }

    // 添加元素
    public V put(K key, V value) {
        if (key == null)
            return null;
        int hash = key.hashCode();
        int index = indexFor(hash, table.length);

        // 如果添加的key已经存在，那么只需要修改value值即可
        for (Entry<K, V> e = table[index]; e != null; e = e.next) {
            Object k = e.key;
            if (e.key.hashCode() == hash && (k == key || key.equals(k))) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                return oldValue;// 原来的value值
            }
        }
        // 如果key值不存在，那么需要添加
        Entry<K, V> e = table[index];// 获取当前数组中的e
        table[index] = new Entry<K, V>(key, value, e);// 新建一个Entry，并将其指向原先的e
        return null;
    }

}

MyHashMapTest.java

public class MyHashMapTest {

    public static void main(String[] args) {

        MyHashMap<Integer, Integer> map = new MyHashMap<Integer, Integer>();
        map.put(1, 90);
        map.put(2, 95);
        map.put(17, 85);

        System.out.println(map.get(1));
        System.out.println(map.get(2));
        System.out.println(map.get(17));
        System.out.println(map.get(null));
    }
}

Set接口

概述

Java 中的Set和正好和数学上直观的集（set）的概念是相同的。Set最大的特性就是不允许在其中存放的元素是重复的。根据这个特点，我们就可以使用Set 这个接口来实现前面提到的关于商品种类的存储需求。Set 可以被用来过滤在其他集合中存放的元素，从而得到一个没有包含重复新的集合。

常用方法

按照定义，Set 接口继承 Collection 接口，而且它不允许集合中存在重复项。所有原始方法都是现成的，没有引入新方法。具体的 Set 实现类依赖添加的对象的 equals() 方法来检查等同性。

各个方法的作用描述：

public int size();
//返回set中元素的数目，如果set包含的元素数大于

Integer.MAX_VALUE;//返回Integer.MAX_VALUE；

public boolean isEmpty();
//如果set中不含元素，返回true ；

public boolean contains(Object o) ;
//如果set包含指定元素，返回true 

public Iterator iterator();
//返回set中元素的迭代器，元素返回没有特定的顺序，除非set提高该保证的某些类的实例 ；

public boolean add(Object o);
//如果set中不存在指定元素，则向set加入 ；

public boolean remove(Object o);
//如果set中存在指定元素，则从set中删除 ；

public boolean removeAll(Collection c);
//如果set包含指定集合，则从set中删除指定集合的所有元素 ；

public void clear();
//从set中删除所有元素；

原理分析

HashSet的元素存放顺序和添加进去时候的顺序没有任何关系；而LinkedHashSet 则保持元素的添加顺序；TreeSet则是对我们的Set中的元素进行排序存放。

一般来说，当要从集合中以有序的方式抽取元素时，TreeSet 实现就会有用处。为了能顺利进行，添加到 TreeSet 的元素必须是可排序的。 而同样需要对添加到TreeSet中的类对象实现 Comparable 接口的支持。对于Comparable接口的实现。假定一棵树知道如何保持 java.lang 包装程序器类元素的有序状态。一般说来，先把元素添加到 HashSet，再把集合转换为 TreeSet 来进行有序遍历会更快。这点和HashMap的使用非常的类似。

其实Set的实现原理是基于Map上面的。Set中很多实现类和Map中的一些实现类的使用上非常的相似。Map中的“键值对”，其中的 “键”是不能重复的。这个和Set中的元素不能重复一致，其实Set利用的就是Map中“键”不能重复的特性来实现的。HashSet的巧妙实现：就是建立一个“键值对“，“键”就是我们要存入的对象，“值”则是一个常量。这样可以确保， 我们所需要的存储的信息之是“键”。而“键”在Map中是不能重复的，这就保证了我们存入Set中的所有的元素都不重复。而判断是否添加元素成功，则是通 过判断我们向Map中存入的“键值对”是否已经存在，如果存在的话，那么返回值肯定是常量：PRESENT ，表示添加失败。如果不存在，返回值就为null 表示添加成功。

HashSet类

Java.util.HashSet类实现了Java.util.Set接口。

• 它不允许出现重复元素；
• 不保证和政集合中元素的顺序
• 允许包含值为null的元素，但最多只能有一个null元素。

范例：

import java.util.Date;
import java.util.HashSet;
import java.util.Iterator;

public class TestHashSet
{
    public static void main(String [] args)
    {
       HashSet h=new HashSet();
       h.add("1st");
       h.add("2nd");
       h.add(new Integer(3));
       h.add(new Double(4.0));
       h.add("2nd");            //重复元素，未被添加
       h.add(new Integer(3));      //重复元素，未被添加
       h.add(new Date());
       System.out.println("开始：size="+h.size());
       Iterator it=h.iterator();
       while(it.hasNext())
       {
           Object o=it.next();
           System.out.println(o);
       }

       h.remove("2nd");
       System.out.println("移除元素后：size="+h.size());
       System.out.println(h);
    }
}

TreeSet类

TreeSet描述的是Set的一种变体——可以实现排序等功能的集合，它在讲对象元素添加到集合中时会自动按照某种比较规则将其插入到有序的对象序列中，并保证该集合元素组成的读uixiangxulie时刻按照“升序”排列。

import java.util.TreeSet;
import java.util.Iterator;

public class TestTreeSet
{
    public static void main(String [] args)
    {
       TreeSet ts=new TreeSet();
       ts.add("orange");
       ts.add("apple");
       ts.add("banana");
       ts.add("grape");

       Iterator it=ts.iterator();
       while(it.hasNext())
       {
           String fruit=(String)it.next();
           System.out.println(fruit);
       }
    }
}

Queue接口

Queue： 基本上，一个队列就是一个先入先出（FIFO）的数据结构。

offer，add区别：
一些队列有大小限制，因此如果想在一个满的队列中加入一个新项，多出的项就会被拒绝。这时新的offer方法就可以起作用了。它不是对调用add()方法抛出一个unchecked异常，而只是得到由 offer() 返回的 false。

poll，remove区别：
remove() 和 poll() 方法都是从队列中删除第一个元素（head）。remove() 的行为与 Collection 接口的版本相似，但是新的 poll() 方法在用空集合调用时不是抛出异常，只是返回 null。因此新的方法更适合容易出现异常条件的情况。

peek，element区别：
element() 和 peek() 用于在队列的头部查询元素。与 remove() 方法类似，在队列为空时， element() 抛出一个异常，而 peek() 返回 null。

Tiger中有2组Queue的实现：实现了新的BlockingQueue接口的和没有实现的：
1)没有实现的阻塞接口的LinkedList：实现了java.util.Queue接口和java.util.AbstractQueue接口内置的不阻塞队列：PriorityQueue和ConcurrentLinkedQueue。
PriorityQueue 和 ConcurrentLinkedQueue 类在 Collection Framework 中加入两个具体集合实现。PriorityQueue 类实质上维护了一个有序列表。加入到 Queue 中的元素根据它们的天然排序（通过其java.util.Comparable实现）或者根据传递给构造函数的java.util.Comparator实现来定位。ConcurrentLinkedQueue是基于链接节点的、线程安全的队列。并发访问不需要同步。因为它在队列的尾部添加元素并从头部删除它们，所以只要不需要知道队列的大 小，ConcurrentLinkedQueue对公共集合的共享访问就可以工作得很好。收集关于队列大小的信息会很慢，需要遍历队列。
2)实现阻塞接口的：
新的 java.util.concurrent 包在 Collection Framework 中可用的具体集合类中加入了 BlockingQueue 接口和五个阻塞队列类。它实质上就是一种带有一点扭曲的 FIFO 数据结构。不是立即从队列中添加或者删除元素，线程执行操作阻塞，直到有空间或者元素可用。
五个队列所提供的各有不同：
* ArrayBlockingQueue ：一个由数组支持的有界队列。
* LinkedBlockingQueue ：一个由链接节点支持的可选有界队列。
* PriorityBlockingQueue ：一个由优先级堆支持的无界优先级队列。
* DelayQueue ：一个由优先级堆支持的、基于时间的调度队列。
* SynchronousQueue ：一个利用 BlockingQueue 接口的简单聚集（rendezvous）机制。
前两个类 ArrayBlockingQueue 和 LinkedBlockingQueue 几乎相同，只是在后备存储器方面有所不同，LinkedBlockingQueue并不总是有容量界限。无大小界限的LinkedBlockingQueue类在添加元素时永远不会有阻塞队列的等待（至少在其中有Integer.MAX_VALUE 元素之前不会）。

PriorityBlockingQueue是具有无界限容量的队列，它利用所包含元素的Comparable排序顺序来以逻辑顺序维护元素。可以将它看作TreeSet的可能替代物。不过对PriorityBlockingQueue有一个技巧。从iterator()返回的Iterator实例不需要以优先级顺序返回元素。如果必须以优先级顺序遍历所有元素，那么让它们都通过toArray()方法并自己对它们排序，像Arrays.sort(pq.toArray())。

新的DelayQueue实现可能是其中最有意思（也是最复杂）的一个。加入到队列中的元素必须实现新的Delayed接口（只有一个方法——long getDelay(java.util.concurrent.TimeUnit unit)）。因为队列的大小没有界限，使得添加可以立即返回，但是在延迟时间过去之前不能从队列中取出元素。如果多个元素完成了延迟，那么最早失效/失效时间最长 的元素将第一个取出。实际上没有听上去这样复杂。

SynchronousQueue 类是最简单的。它没有内部容量。它就像线程之间的手递手机制。在队列中加入一个元素的生产者会等待另一个线程的消费者。当这个消费者出现时，这个元素就直接在消费者和生产者之间传递，永远不会加入到阻塞队列中。

示例代码如下：

import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;

public class Queuedemo {
    public static void main(String[] args) {
        Queue<String> queue=new LinkedList<String>();

        queue.offer("A");//向队列添加元素
        queue.offer("B");
        queue.offer("C");

        System.out.println(queue);//[A, B, C]
        String head=queue.peek();//取首元素
        System.out.println("head=="+head);
        System.out.println(queue);
        System.out.println("队列中有 "+queue.size()+" 个元素");

        for(int i=queue.size();i>0;i--)//成功
        {
            System.out.println(queue.poll());
        }
        System.out.println(queue);
    }
}

运行结果如下：

[A, B, C]
head==A
[A, B, C]
队列中有 3 个元素
A
B
C
[]

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。

同步性

Vector是同步的。这个类中的一些方法保证了Vector中的对象是线程安全的。而ArrayList则是异步的，因此ArrayList中的对象并 不是线程安全的。因为同步的要求会影响执行的效率，所以如果你不需要线程安全的集合那么使用ArrayList是一个很好的选择，这样可以避免由于同步带 来的不必要的性能开销。

数据增长
从内部实现机制来讲ArrayList和Vector都是使用数组(Array)来控制集合中的对象。当你向这两种类型中增加元素的时候，如果元素的数目 超出了内部数组目前的长度它们都需要扩展内部数组的长度，Vector缺省情况下自动增长原来一倍的数组长度，ArrayList是原来的50%,所以最 后你获得的这个集合所占的空间总是比你实际需要的要大。所以如果你要在集合中保存大量的数据那么使用Vector有一些优势，因为你可以通过设置集合的初 始化大小来避免不必要的资源开销。

使用模式
在ArrayList和Vector中，从一个指定的位置（通过索引）查找数据或是在集合的末尾增加、移除一个元素所花费的时间是一样的，这个时间我们用 O(1)表示。但是，如果在集合的其他位置增加或移除元素那么花费的时间会呈线形增长：O(n-i)，其中n代表集合中元素的个数，i代表元素增加或移除 元素的索引位置。为什么会这样呢？以为在进行上述操作的时候集合中第i和第i个元素之后的所有元素都要执行位移的操作。这一切意味着什么呢？
这意味着，你只是查找特定位置的元素或只在集合的末端增加、移除元素，那么使用Vector或ArrayList都可以。如果是其他操作，你最好选择其他 的集合操作类。比如，LinkList集合类在增加或移除集合中任何位置的元素所花费的时间都是一样的?O(1)，但它在索引一个元素的使用缺比较慢 －O(i),其中i是索引的位置.使用ArrayList也很容易，因为你可以简单的使用索引来代替创建iterator对象的操作。LinkList也 会为每个插入的元素创建对象，所有你要明白它也会带来额外的开销。

最后，在《Practical Java》一书中Peter Haggar建议使用一个简单的数组（Array）来代替Vector或ArrayList。尤其是对于执行效率要求高的程序更应如此。因为使用数组 (Array)避免了同步、额外的方法调用和不必要的重新分配空间的操作。

相互区别

Vector和ArrayList

1，vector是线程同步的，所以它也是线程安全的，而arraylist是线程异步的，是不安全的。如果不考虑到线程的安全因素，一般用arraylist效率比较高。
2，如果集合中的元素的数目大于目前集合数组的长度时，vector增长率为目前数组长度的100%,而arraylist增长率为目前数组长度的50%.如过在集合中使用数据量比较大的数据，用vector有一定的优势。
3，如果查找一个指定位置的数据，vector和arraylist使用的时间是相同的，都是0(1),这个时候使用vector和arraylist都可以。而如果移动一个指定位置的数据花费的时间为0(n-i)n为总长度，这个时候就应该考虑到使用linklist,因为它移动一个指定位置的数据
所花费的时间为0(1),而查询一个指定位置的数据时花费的时间为0(i)。

ArrayList 和Vector是采用数组方式存储数据，此数组元素数大于实际存储的数据以便增加和插入元素，都允许直接序号索引元素，但是插入数据要设计到数组元素移动 等内存操作，所以索引数据快插入数据慢，Vector由于使用了synchronized方法（线程安全）所以性能上比ArrayList要 差，LinkedList使用双向链表实现存储，按序号索引数据需要进行向前或向后遍历，但是插入数据时只需要记录本项的前后项即可，所以插入数度较快！

arraylist和linkedlist

1.ArrayList是实现了基于动态数组的数据结构，LinkedList基于链表的数据结构。
2.对于随机访问get和set，ArrayList觉得优于LinkedList，因为LinkedList要移动指针。
3.对于新增和删除操作add和remove，LinedList比较占优势，因为ArrayList要移动数据。

这一点要看实际情况的。若只对单条数据插入或删除，ArrayList的速度反而优于LinkedList。但若是批量随机的插入删除数 据，LinkedList的速度大大优于ArrayList. 因为ArrayList每插入一条数据，要移动插入点及之后的所有数据。

HashMap与TreeMap

1、HashMap通过hashcode对其内容进行快速查找，而TreeMap中所有的元素都保持着某种固定的顺序，如果你需要得到一个有序的结果你就应该使用TreeMap （HashMap中元素的排列顺序是不固定的）。HashMap中元素的排列顺序是不固定的）。
2、 HashMap通过hashcode对其内容进行快速查找，而TreeMap中所有的元素都保持着某种固定的顺序，如果你需要得到一个有序的结果你就应该使用reeMap（HashMap中元素的排列顺序是不固定的）。集合框架”提供两种常规的Map实现：HashMap和TreeMap (TreeMap实现SortedMap接口)。
3、在Map中插入、删除和定位元素，HashMap 是最好的选择。但如果您要按自然顺序或自定义顺序遍历键，那么TreeMap会更好。使用HashMap要求添加的键类明确定义了hashCode()和equals()的实现。这个TreeMap没有调优选项，因为该树总处于平衡状态。

hashtable与hashmap

一.历史原因:Hashtable是基于陈旧的Dictionary类的，HashMap是Java 1.2引进的Map接口的一个实现
二.同步性:Hashtable是线程安全的，也就是说是同步的，而HashMap是线程序不安全的，不是同步的
三.值：只有HashMap可以让你将空值作为一个表的条目的key或value