Java集合类实现原理
1.Iterable接口
- 定义了迭代集合的迭代方法
iterator() forEach() 对1.8的Lambda表达式提供了支持
2. Collection接口
- 定义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接口
- 元素被添加到集合中以后,取出的时候是按照放入顺序。
- List可以重复。
- 存在下标,可以直接依靠下标取值
E get() E set() E indexOf() int lastIndexOf() ListIterator listIterator()
3.1 ArrayList类
- 底层是一个Object数组。
transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
- 初始容量为10
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
- 当数组容量不够是自动扩容为以前的1.5倍
private int newCapacity(int minCapacity) { // overflow-conscious code int oldCapacity = elementData.length; int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
- 数组最大容量为Integer.MAX_VALUE-8
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
- 线程不安全
3.2.Vector类(不常用)
- 底层是一个Object数组
protected Object[] elementData;
- 初始容量为10
public Vector() { this(10); }
- 数组容量不够的时候自动扩容为原来的一倍
int oldCapacity = elementData.length; int newCapacity = oldCapacity + ((capacityIncrement > 0) ? capacityIncrement : oldCapacity);
- 数组最大容量为
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
- 线程安全
3.3 LinkedList
- 底层是一个列表
/** * Pointer to first node. */ transient Nodefirst; /** * Pointer to last node. */ transient Nodelast;
- 存放节点个数
transient int size = 0;
- 默认构造方法增加元素实现原理
//当默认构造的时候,创建集合的时候 public LinkedList() { } //使用添加方法,直接将元素添加到末尾 public boolean add(E e) { linkLast(e); return true; } //给尾部添加元素 void linkLast(E e) { //获取最后一个元素 final Nodel = last; //新创建一个界面,其尾结点为null final NodenewNode = new Node<>(l, e, null); //将数组中存储最后一个界面的元素复制 last = newNode; //如果此时集合为null,则另第一个节点也为该元素,否则就将这个元素的下一个节点设置为该元素节点 if (l == null) first = newNode; else l.next = newNode; //节点数量增加 size++; modCount++; }
- 指定下标增加元素实现原理
//LinkedList支持指定的索引出增加节点 public void add(int index, E element) { //检查传入的索引是否符合要求 checkPositionIndex(index); //如果这个索引是最后一个节点,则直接添加 if (index == size) linkLast(element); else //否则 linkBefore(element, node(index)); } //返回了指定下标的Node Nodenode(int index) { // assert isElementIndex(index); //如果此时的下标小于节点的一半,相当于一个二分查找的方法, if (index < (size >> 1)) { Nodex = first; for (int i = 0; i < index; i++) x = x.next; return x; } else { Nodex = last; for (int i = size - 1; i > index; i--) x = x.prev; return x; } //将需要插入的元素进行插入 void linkBefore(E e, Nodesucc) { // assert succ != null; final Nodepred = succ.prev; final NodenewNode = new Node<>(pred, e, succ); succ.prev = newNode; if (pred == null) first = newNode; else pred.next = newNode; size++; modCount++; }
> 实现的思想可以归结为:每一次的插入或者移除,都是通过node()方法获取指定的Node节点,然后通过linkBefore或者linkLast这些方法来具体进行链表的操作。
4.Set接口
- 插入无序
- 元素不能重复
- 底层均为Map集合实现
4.1 TreeSet类
先来瞅一眼这个类的继承关系吧
- 实现了AbstractSet拥有了Set的属性和方法
- 实现了NavigableSet,支持一系列导航方法,可以进行精确查找
剖析一下这个类的源码
- 底层实现TreeMap结构
public class TreeSetextends AbstractSetimplements NavigableSet, Cloneable, java.io.Serializable { /** * 存放生成的TreeMap集合 */ private transient NavigableMapm; // 作为值添加到TreeMap中,即每一个Entry的键不同但值相同,都是一个对象的地址 private static final Object PRESENT = new Object(); public TreeSet() { this(new TreeMap<>()); } TreeSet(NavigableMapm) { this.m = m; } //添加方法 public boolean add(E e) { return m.put(e, PRESENT)==null; }
- 进行了排序。(在HashMap原理进行分析)
4.2 HashSet类
- 底层基于HashMap
//键 private transient HashMapmap; // 值 private static final Object PRESENT = new Object(); //构造 public HashSet() { map = new HashMap<>(); }
- 无序
- 不可重复
4.3 LinkedHashSet类
- 底层基于LinkedHashMap实现,通过LinkedHashMap中的方法实现了顺序存值。具体实现可看下面的LinkedHashMap
public LinkedHashSet() { super(16, .75f, true); } HashSet(int initialCapacity, float loadFactor, boolean dummy) { map = new LinkedHashMap<>(initialCapacity, loadFactor); }
5. Map类
- 键值对的形式存放数据
- 定义了通用的方法
- 不可重复
int size() isEmpty(); containsKey() containsValue() get() put() remove() keyset() values() entrySet()
5.1Entry类
- Map类的内部类,用来获取所有的键值
5.2HashMap类
> put的时候,会通过hash算法,计算一个index,这个index就是节点数组的下标,此时这个实体就被存储到这个数组中。但是由于这个hash算法不能保证任何一个key值计算出来的hash值均相同,所以采用链表的方式,挂载相同的index的实体。在1.8以后,当链表的节点数量大于或者等于8的时候且数组的容量大于64的时候,就会将链表转换为红黑树
- 底层实现:数组+链表或者红黑树
//保存的数组,初始化16个 transient Node[] table; //为entrySet和value提供一个缓存 transient Set<map.entry> entrySet; //元素的数量 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; //数组递增的策略 当size > capacity*loadFacotor的时候递增 final float loadFactor;
- Node节点的定义(列表)
static class Nodeimplements Map.Entry{ final int hash; final K key; V value; Nodenext; Node(int hash, K key, V value, Nodenext) { this.hash = hash; this.key = key; this.value = value; this.next = next; }
- 初始容量为16的原因
//hash算法,保证哈希值平均分布,只有当为16的时候才可以最大程度的保证平均分布 static final int hash(Object key) { int h; return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16); }
- put方法
//创建一个HashMap对象,并且设定它的递增策略为0.75倍 public HashMap() { this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted } static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f; //执行put方法 public V put(K key, V value) { //key通过hash算法计算一个index return putVal(hash(key), key, value, false, true); } final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) { Node[] tab; Nodep; int n, i; //第一次进入为null,所以执行初始化容器大小 if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) //此时返回的就是初始化容器以后的大小即16 n = (tab = resize()).length; //计算下标,如果等于null,直接赋值 if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) tab[i] = newNode(hash, key, value, null); else { //如果该数组刚好有值,则采用链表或者红黑树的方式添加数据节点 Nodee; K k; //判断两个节点是否相等 if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) e = p; //判断当前节点是否属于红黑树节点 else if (p instanceof TreeNode) e = ((TreeNode)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value); else { //如果不是直接进行链表连接 for (int binCount = 0; ; ++binCount) { if ((e = p.next) == null) { //将当前节点的下一个节点设置为新的实体节点 p.next = newNode(hash, key, value, null); //如果此时的节点容量为7那么将链表转换为红黑树 if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st treeifyBin(tab, hash); break; } //判断新传入的实体和当前绑定节点的子节点是否相同,如果相同直接退出 if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) break; //进入这个子节点 p = e; } } if (e != null) { // existing mapping for key V oldValue = e.value; if (!onlyIfAbsent || oldValue == null) e.value = value; afterNodeAccess(e); return oldValue; } } //修改次数 ++modCount; //查看当前容器的容量是否大于threshold ,如果大于增加数组容量为原来的一倍 if (++size > threshold) resize(); afterNodeInsertion(evict); return null; } //初始化容器大小 final Node[] resize() { Node[] oldTab = table; //旧容量为0 int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length; int oldThr = threshold; //设置当前容器的递增为0 int newCap, newThr = 0; //此时的oldCap=0 , newThr = 0 直接else执行 if (oldCap > 0) { if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) { threshold = Integer.MAX_VALUE; return oldTab; } //扩容,将数组的容量和扩容因子变为原来的一倍 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 //初始化容器为默认16 newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY; //初始化阙值 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[] newTab = (Node[])new Node[newCap]; //初始化存储容器数组 table = newTab;
5.2.1 Hash数据结构
在java中所有的数据结构都可以使用数组和指针即引用来实现。而Hash也成散列,就是一个链表加数组实现。
Hash数据结构具有无序的特征。这里的无序指的是存入顺序于取出顺序不一样。
什么是Hash表的负载因子?负载因子代表了Hash表的空间填充度,即负载因子越大其对空间的使用率越高,但这也造成了查询速度慢,而负载因子越小,其查询速度越快,空间填充度越低。所以在使用的过程一般会通过保持一个平衡。如HashMap的负载因子初始化为0.75.保证了两者之间的权衡。
Hash表如何存储数据?Hash表的每一次存储都会先调用一个Hash函数,而这个Hash函数最后运算的值就是所存储数据的下标。即当需要查询数据的时候,仅仅只需要调用Hash函数进行一次计算就可以得出该数据所在的下标。
5.2.2 HashMap中的数据结构实现
下面详细解析一下HashMap中的Hash表的实现
在HashMap初始化的时候,首先会给内部的负载因子赋值为0.75,然后创建对象,注意此时的HashMap内部的Node数组并没有实例化。
开始put数据,此时put方法会调用putVal()方法,但在调用这个putVal方法之前,他首先通过hash算法计算了一次这个key所对应的哈希值,而在putVal()方法中,又将这个哈希值通过和数组的容量-1进行&运算,得出了在这个数组的容量范围内的一个index。此时这个key所需要存储的index正式确定。
确定key以后,需要判断该index下有没有值,如果有,判断新增的这个元素与现有这个元素是否相同,如果相同,替换该值;如果不相同,遍历这个链表,判断这个链表中是否存在和新增元素相同的值,如果不存在则直接添加到链表尾部,如果存在,替换该值;当然如果此时链表中节点的个数大于或者等于8且数组的容量大于64的时候以后就将链表转化为红黑树。
containKey方法的实现,就是直接通过hash方法计算出哈希值,然后通过&运算,获取数组下标,判断这个下标是否为该值,如果不是,则进行遍历链表或者红黑树。
containeValue方法实现,一级一级遍历时间复杂度似乎蛮高的
5.3 LinkedHashMap类
我们所知道的LinkedHashMap类可以顺序的输出用户所输入的数据。下面谈一下他的实现方式
LinkedHashMap中定义了一个Entry类,继承了HashMap.Node节点类,额外定义了两个属性,before和after,还有最重要的一个方法newNode,这个方法被LinkedHashMap重写,确定了顺序性。看到这也就知道这是双向链表的两个值了。LinkedHashMap在每一次put元素之后都要将该元素的上一个节点设置为之前的那个节点。代码说明!!!
- 成员属性
// 链表的第一个节点,LinkedHashMap会保存链表的最后一个节点的属性,以方便进行节点添加 transient LinkedHashMap.Entryhead; // 链表的最后一个节点 transient LinkedHashMap.Entrytail;
- 创建对象了
//老方法,new个对象再说(单身狗的呐喊) public LinkedHashMap() { super(); accessOrder = false; } //直接调用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中调用了 afterNodeAccess(e); afterNodeInsertion(evict);
NodenewNode(int hash, K key, V value, Nodee) { LinkedHashMap.Entryp = new LinkedHashMap.Entry<>(hash, key, value, e); linkNodeLast(p); return p; } // link at the end of list private void linkNodeLast(LinkedHashMap.Entryp) { //获取最后一个节点 LinkedHashMap.Entrylast = tail; //将最后一个节点定义为新增的节点 tail = p; //如果等于null那么说明之前没有元素 if (last == null) head = p; else { //如果有,将这个元素的上一个节点定义为之前的最后一个元素 p.before = last; //最后一个节点的下一个元素定义为新元素 last.after = p; } }
//判断这个新的节点是否为最后一个节点,如果不是移动该节点到最后 void afterNodeAccess(Nodee) { // move node to last LinkedHashMap.Entrylast; //查看当前最后一个节点是否为当前新增的元素 if (accessOrder && (last = tail) != e) { //p为当前元素,a为下一个元素,b为上一个元素 LinkedHashMap.Entryp = (LinkedHashMap.Entry)e, b = p.before, a = p.after; //将p的下一个元素定义为null,切断和之前元素的联系 p.after = null; //如果上一个元素为null ,则说明将该节点的下一个节点赋值为头结点 if (b == null) head = a; else //否则,将上一个节点的下一个节点定义为a,到此,这个新的节点已经被独立出来了 b.after = a; //如果此时a不为null if (a != null) //则直接赋值 a.before = b; else last = b; if (last == null) head = p; else { p.before = last; last.after = p; } tail = p; ++modCount; } } //永远不起作用removeEldestEntry方法永远返回false void afterNodeInsertion(boolean evict) { // possibly remove eldest LinkedHashMap.Entryfirst; if (evict && (first = head) != null && removeEldestEntry(first)) { K key = first.key; removeNode(hash(key), key, null, false, true); } } protected boolean removeEldestEntry(Map.Entryeldest) { return false; }
5.4 TreeMap类
- 底层实现:红黑树
- 继承了NavigableMap接口,NavigableMap接口继承了SortedMap接口,可支持一系列导航方法即导航操作
- 实现了Cloneable接口,可被克隆
- 自然排序
5.4.1TreeMap创建源码分析
- TreeMap定义的字段
//比较器 private final Comparator comparator; //根节点 private transient Entryroot; //节点数量 private transient int size = 0; //修改次数 private transient int modCount = 0; //红黑颜色判断 private static final boolean RED = false; private static final boolean BLACK = true; //节点实体 static final class Entryimplements Map.Entry{ K key; V value; Entryleft; Entryright; Entryparent; //默认颜色为黑色 boolean color = BLACK; }
- 创建对象
public TreeMap() { //默认构造器 comparator = null; } public TreeMap(Comparator comparator) { //传入自定义的构造器 this.comparator = comparator; } public TreeMap(Map m) { comparator = null; putAll(m); }
- Put对象
public V put(K key, V value) { //赋值 Entryt = root; //如果此时的root为null if (t == null) { //检查这个key是否为null compare(key, key); // type (and possibly null) check //创建根节点 root = new Entry<>(key, value, null); size = 1;//设置节点数量 modCount++;//修改次数增加 return null; } //定义比较值 int cmp; Entryparent; // split comparator and comparable paths Comparator cpr = comparator; //如果此时存在自定义比较器,根据比较器规则进行二分比较 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 //形同替换value值 return t.setValue(value); } while (t != null); } else { //使用默认的比较器,查找方法一样 if (key == null) throw new NullPointerException(); @SuppressWarnings("unchecked") Comparable k = (Comparable) 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); } //没有当前节点,则创建该元素的实体节点 Entrye = new Entry<>(key, value, parent); //根据比较器规则,添加节点 if (cmp < 0) parent.left = e; else parent.right = e; //红黑树自动平衡算法 fixAfterInsertion(e); //节点数量,修改数量递增 size++; modCount++; return null; }
5.4.2 TreeMap对象增加的过程
创建一个TreeMap,此时可以传入一个比较器,如果不传入按照默认的自然顺序进行比较。
put对象,首先,检查该root节点是否为null,如果为null,检查当前传入key是否为null,不为null,则直接创建一个root节点。如果当前root节点有值,则通过二分查找,寻找当前可以进行添加的父节点,找到以后按照比较器规则进行添加。
添加以后,红黑树进行自动平衡实现。
5.5 HashTable类
HashTable也是基于哈希表实现,和HashMap不同的是HashTable是线程安全的。
- 底层实现:哈希表+链表
private transient Entry[] table;//存储数组 private transient int count;//容器中数据多少 private int threshold;//容器容量达到次数以后进行修改 private transient int modCount = 0;//修改次数
- Hash函数
int hash = key.hashCode(); int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
- 初始化。在构造方法中初始化。初始化指为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函数计算一个index int hash = key.hashCode(); int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length; @SuppressWarnings("unchecked") Entryentry = (Entry)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; } //增加实体 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") Entrye = (Entry) tab[index]; tab[index] = new Entry<>(hash, key, value, e); count++; modCount++; }
5.5.1 HashTable和HashMap的区别
HashTable | HashMap | |
---|---|---|
底层时间 | 哈希表+链表 | 哈希表+链表+红黑树 |
初始化时间及大小 | 构造方法初始化,大小为11 | put方法初始化,大小为16 |
线程安全 | 安全 | 不安全 |
Hash值 | 直接使用了hashcode | 重新计算 |
扩容 | 二倍+1 | 二倍 |
5.6 Properties类
- Java配置文件中用的居多
- 可以直接通过load方法加载配置文件,通过store方法存储配置文件
- 泛型锁定,为两个String类型