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三、Set

　　Java.util中的容器又被稱為Java Collections framework。雖然被稱為框架，但是其主要目的是提供一組介面儘量簡單而且相同、並且儘量高效、以便於開發人員按照場景選用，而不是自己重複實現的類。容器按介面可以分為兩大類：Collection和Map。本文主要關注Collection，以後會將Map這塊也進行研究。

一、Collection及子類/介面容器繼承關係

　　先從Collection說起。可以看出：

1.Collection介面並不是一個根介面，它的超級介面是Iterator，需要提供其遍歷、移除元素(可選操作)的能力。

2.Collection介面定義了基本的容器操作方法。

　　除此以外，

1.remove()和contains()判斷元素是否相等的依據是類似的。

對於remove(Object o)，若Collection中包含的元素e，滿足(o==null ? e==null : o.equals(e))，移除其中的一個；

對於contains(Object o)，若Collection中包含至少一個或多個元素e，滿足(o==null ? e==null : o.equals(e))，則返回true。

2.AbstractCollection抽象類實現了一部分Collection介面的方法，主要是基於iterator實現的，如remove()、toArray()，以及利用本身的屬性size實現的size()。如果讀一下原始碼，可以發現雖然AbstractCollection利用add()實現了addAll()，但是add()本身的實現是直接拋UnsupportedOperationException異常的。實際上add()是一種“可選操作”，目的是延遲到需要時再實現。

二、List

　　瞭解了通用的Collection後，接下來，看看三大類的Collection:List、Set、Queue。首先從List說起。List中的元素是有序的，因而我們可以按序訪問List中的元素，以及訪問指定位置上的元素。對於“按順序遍歷訪問元素”的需求，使用List的超級介面Iterator即可以做到，這也是對應抽象類AbstractList中的實現；而訪問特定位置的元素（也即按索引訪問）、元素的增加和刪除涉及到了List中各個元素的連線關係，並沒有在AbstractList中提供。

2.1 ArrayList

　　ArrayList是最常用的List的實現，其包裝了一個用於存放元素的陣列，並用size屬性來標識該容器裡的元素個數，而非這個被包裝陣列的大小。如果對陣列有所瞭解，很容易理解ArrayList的元素是怎麼編排的，各個陣列的元素如何隨機訪問（通過索引）、元素之間如何跳轉（索引增減）。閱讀原始碼可以發現，這個陣列用transient關鍵字修飾，表示其不會被序列化。當然，ArrayList的元素最終還是會被序列化的，要不然，這個最常用的List之一，不能持久化、不能網路傳輸，簡直不可想象。在序列化/反序列化時，會呼叫ArrayList的writeObject()/readObject()方法，將該ArrayList中的元素（即0...size-1下標對應的元素）寫入流/從流讀出。這樣做的好處是，只儲存/傳輸有實際意義的元素，最大限度的節約了儲存、傳輸和處理的開銷。

2.1.1 序列化的探討

　　提到序列化，有個問題是，ArrayList的writeObject()/readObject()是如何被呼叫的？它們並不屬於ArrayList的任何一個介面，甚至是Serializabe！其實，序列化是ObjectOutputStream物件呼叫自身的writeObject()方法時，由它通過反射檢查入參——也即待序列化的物件——是否有writeObject()方法，並進行呼叫，這和介面無關，確實很古怪（可以參考《Java程式設計思想·第四版（中文）》第581頁）。

2.1.2 刪除元素

　　ArrayList在刪除元素時，不僅要將其他元素前移來佔用被移除的元素並縮小size，對於原來位置的元素，如(size-1)位置的元素前移至(size-2)位，那麼(size-1)位置是要設定為null的，這樣才能讓垃圾回收機制發揮作用。這種資料的用法在Java中比較常見，比如利用Vector實現的Stack，也是這樣。而在C語言中，一種利用陣列實現的棧是可以在pop()後只修改當前棧對應的陣列下標而不作清理的。

2.1.3 調整大小

　　利用Arrays.copyOf()方法做陣列的調整。

2.2 Vector和Stack(不建議繼續使用)

 　　雖然Vector經過了改造，但這麼做只是為了相容Java2之前的程式碼，不建議繼續使用。

　　Java1.6的原始碼中，和ArrayList類似，Vector底層也是陣列，但是這個陣列並沒有transient修飾，其序列化要低效不少。

　　Stack是繼承Vector實現的，而不是包裝一個Vector。這並不是一個很好的設計，如果要使用棧行為，應該使用LinkedList。Java1.6原始碼中，Stack每次擴大都需要new新的陣列並作拷貝，效率並不好。

　　新程式碼中誤用這兩個容器的原因，可能是之前在C++中使用過STL的Vector和Stack。我剛接觸Java時，總以為這兩個類在Java中的地位類似C++。

2.3 抽象類AbstractSequentialList

　　滿足“連續訪問”資料儲存而非“隨機訪問”需求的List，對於指定index元素的操作，都需要利用抽象方法listIterator()獲得一個迭代器。其唯一實現是LinkedList，對其的討論放在Queue這部分。

三、Set

　　Set介面模仿了數學概念上的set，各個元素不要求重複。除了這一點，幾乎和Collection本身是一樣的。

　　Set介面有一個直接子介面SortedSet，該介面要求Set中所有元素有序。和通過Iterable介面依次訪問所有元素的“有序”不同，這個“有序”要求Set包括一個比較器，可以判斷兩個元素的大於、小於或等於關係。此外，該介面提供了訪問第一個元素、訪問最後一個元素、訪問一定範圍內元素的方法。SortedSet的子介面NavigableSet進一步擴充套件了這個系列的方法，提供了諸如返回大於/小於元素E的第一個元素的方法。

　　由於Set的操作與底層的實現關聯性很強，AbstractSet中實現的方法有限，在Java1.6中只有equals()、hashCode()、removeAll()進行了實現。

3.1 HashSet和LinkedHashSet

　　HashSet之所以命名中包含了“Hash”，是因為其底層是用HashMap實現的。Map有個特點，各個Key是唯一的，這和Set的元素唯一很類似。對HashSet的元素E進行的操作，實際上是對其包裝的HashMap中對應的<E,PRESENT>的操作，其中PRESENT是一個private static final的Object。因此，HashSet的原理，放到HashMap那一塊來研究。

　　HashSet有一個很特別的構造方法：HashSet(int initialCapacity, float loadFactor, boolean dummy)。這個方法第三個引數的唯一作用是，與其他兩個引數的構造方法相區分。使用這個構造方法，在底層使用的是HashMap的子類LinkedHashMap。而LinkedHashSet，正是使用了這個構造方法，在內部建立並封裝了一個LinkedHashMap而非一般的HashMap。

　　假如先有HashSet，後有HashMap，用HashSet實現HashMap，是否是一個好的主意？這也放在HashMap處研究。

 　　HashSet的包裝的HashMap也使用transient關鍵字修飾，採用了和ArrayList一樣的序列化策略。

3.2 TreeSet

　　TreeSet是SortedSet的一個實現，也是其子介面NavigableSet的實現。

 　　與HashSet/LinkedHashSet類似，TreeSet底層封裝了一個NavigableMap，同樣使用transient修飾，以及序列化策略。

四、Queue

　　Queue和List有兩個區別：前者有“隊頭”的概念，取元素、移除元素、均為對“隊頭”的操作（通常但不總是FIFO，即先進先出），而後者只有在插入時需要保證在尾部進行；前者對元素的一些同一種操作提供了兩種方法，在特定情況下拋異常/返回特殊值——add()/offer()、remove()/poll()、element()/peek()。不難想到，在所謂的兩種方法中，拋異常的方法完全可以通過包裝不拋異常的方法來實現，這也是AbstractQueue所做的。

　　Deque介面繼承了Queue，但是和AbstractQueue沒有關係。Deque同時提供了在隊頭和隊尾進行插入和刪除的操作。

4.1 PriorityQueue

 　　PriorityQueue用於存放含有優先順序的元素，插入的物件必須可以比較。該類內部同樣封裝了一個數組。與其抽象父類AbstractQueue不同，PriorityQueue的offer()方法在插入null時會拋空指標異常——null是無法與其他元素比較通常意義下的優先順序的；此外，add()方法是直接包裝了offer()，沒有附加的行為。

　　由於其內部的資料結構是陣列的緣故，很多操作都需要先把元素通過indexOf()轉化成對應的陣列下標，再進行進一步的操作，如remove()、removeEq()、contains()等。其實這個陣列保持優先順序佇列的方式，是採用堆(Heap)的方式，具體可以參考任意一本演算法書籍，比如《演算法導論》等，這裡就不展開解釋了。和堆的特性有關，在尋找指定元素時，必須從頭至尾遍歷，而不能使用二分查詢。

4.2 LinkedList

　　很有趣的是，LinkedList既是List，也是Queue(Deque)，其原因是它是雙向的，內部的元素(Entry)同時保留了上一個和下一個元素的引用。使用頭部的引用header，取其previous，就可以獲得尾部的引用。通過這一轉換，可以很容易實現Deque所需要的行為。也正因此，可以支援棧的行為，天生就有push()和pop()方法。簡而言之，是Java中的雙向連結串列，其支援的操作和普通的雙向連結串列一樣。

　　和陣列不同，根據下標查詢特定元素時，只能遍歷地獲取了，因而在隨機訪問時效率不如ArrayList。儘管如此，作者還是儘可能地利用了LinkedList的特性做了點優化，儘量減少了訪問次數：

    private Entry<E> entry(int index) {
        if (index < 0 || index >= size)
            throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+
                                                ", Size: "+size);
        Entry<E> e = header;
        if (index < (size >> 1)) {
            for (int i = 0; i <= index; i++)
                e = e.next;
        } else {
            for (int i = size; i > index; i--)
                e = e.previous;
        }
        return e;
    }

　　LinkedList對首部和尾部的插入都支援，但繼承自Collection介面的add()方法是在尾部進行插入。

五、一些瑣碎的話題

5.1 執行緒安全

　　ArrayList、HashSet/LinkedHashSet、PriorityQueue、LinkedList是執行緒不安全的，可以使用synchronized關鍵字，或者類似下面的方法解決:

 List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList(...));

5.2 clone()

　　ArrayList、LinkedList、HashMap/LinkedHashMap、TreeSet的clone()是淺拷貝，元素的引用和拷貝前相同；PriorityQueue的clone()繼承自Object。

5.3 foreach

　　在for(Element e : collection)中：

　　collection == null，直接拋異常；

　　容器內容為空，即剛剛被new出來，裡面什麼也沒有，直接跳過迴圈；

　　容器中放了null（如果允許的話），則將這個null取出並賦值給e，執行迴圈中的語句。

5.4 null物件

　　List可以放無限多個，set只能放一個。EnumSet、PriorityQueue是不能放null的。這個null也在計數中。所以放進去null用foreach取出來時需要判空。