Java容器學習筆記（一） 容器中基本概念及Collection介面相關知識
本篇文章主要是總結了java容器中的相關知識點，包括容器層次結構、類圖結構，Collection介面的詳細資訊，以及Collection的一個重要子介面List介面的相關知識點總結。其中涉及到一些類如ArrayList、LinkedList、Vector、Stack、CopyOnWriteArrayList等的底層資料結構、實現機制及用法等的學習總結。
Java容器類庫的用途是儲存物件，根據資料結構不同將其劃分為兩個不同的概念
（1） Collection，一個獨立元素的序列，其中List按照元素的插入順序儲存元素，而set不能有重複元素，Queue按照先進先出（FIFO）的方式來管理資料，Stack按照後進先出（LIFO）的順序管理資料。
（2） Map，一組鍵值對（key-value）物件的序列，可以使用key來查詢value，其中key是不可以重複的，value可以重複。我們可以稱其為字典或者關聯陣列。其中HashMap是無序的，TreeMap是有序的，WeakHashMap是弱型別的，Hashtable是執行緒安全的。
下面這張圖來自於Thinking in Java Fourth Edition第十七章：
除上面圖中畫到的內容外在java.util.concurrent包中也實現了大量的執行緒安全的集合類，可以很方便的使用。如ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList、CopyOnWriteArraySet等。
二．Collection介面
Ø 由集合類圖結構可以得知Collection介面是Java語言中最基本的集合介面，在JDK中沒有直接提供Collection介面的具體實現類，Collection的功能實現類主要是對它的兩個更具體的子介面List和Set的具體實現類。但是在Collection介面中定義了一套通用操作的實現方法和命名規則。
Ø 在JDK幫助文件中可以看到Collection介面以及各個子介面、各種形式實現類的說明。
Ø 對Collection介面的實現類構造方法一般至少有下面兩種：一個是void（無引數）構造方法，用於建立空的Collection物件例項；另一個是帶有一個Collection型別引數的構造方法，用於建立一個具有與其引數相同元素的Collection物件例項。例如HashSet類的構造方法有下面四種：
a) HashSet()：構造一個初始容量為16、載入因子為0.75的HashSet類的例項物件；
b) HashSet(Collection<? extends E> c)：構造一個包含指定集合物件的HashSet類的物件例項。
c) HashSet(int initialCapacity)：構造一個指定初始容量的HashSet類的例項物件。
d) HashSet(int initialCapacity, float loadFactor)：構造一個指定初始容量以及指定載入因子的HashSet類的例項物件。
Ø Collection介面中共定義了15個通用的方法：
a) Collection介面方法清單
a) 新增和刪除集合中的某個元素
• boolean add(E o) ： 將指定的元素追加到集合當中
• boolean remove(Object o) : 將指定的元素從集合中刪除
b) 查詢與集合有關的資料
• int size() : 返回此集合中元素的個數
• boolean isEmpty() : 測試此集合是否為空
• boolean contains(Object element) : 測試此集合中是否有該元素
• Iterator<E> iterator() : 返回此集合中的各個元素進行迭代的迭代器
c) 對若干個元素以組為單位進行操作
• boolean containsAll(Collection<?> c) : 判斷此集合是否包含給定的一組元素，包含返回true，否則false
• boolean addAll(Collection<? extends E> c) : 將指定集合中的所有元素都新增到當前集合中
• void clear() : 移除此集合中的所有元素
• boolean removeAll(Collection<?> c) : 移除此集合中那些也包含在指定集合中的元素（求集合的差集）
• boolean retainAll(Collection<?> c) : 僅保留此集合中那些也包含在指定集合中的元素（求集合的交集）
d) 將集合轉換成Object型別的物件陣列
• Object[] toArray() : 返回包含此集合中所有元素的陣列
• <T> T[] toArray(T[] a) : 返回包含此集合中所有元素的陣列；返回陣列的執行時型別與指定陣列的執行時型別相同
1. List介面及其實現類
List介面中方法清單
List可以將元素維護在特定的序列中，並且允許一個相同元素在集合中多次出現。List介面在Collection介面的基礎上增加了大量的方法，使得可以在List中間插入和移除元素。除了Abstract類之外，在學習中比較常用的類有ArrayList（基於陣列實現），LinkedList（基於迴圈連結串列實現），Vector（基於陣列實現，執行緒安全），Stack（是Vector的子類，基於陣列實現），CopyOnWriteArrayList（基於陣列實現，執行緒安全）
List介面中提供的面向位置操作的各種方法：（集合中已有的方法略去）
• void add(int index, E element) : 在列表的指定位置插入指定元素。
• boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) : 將指定集合中的所有元素插入到集合中的指定位置。
• E get(int index) : 返回集合中指定位置的元素。
• int indexOf(Object o) : 返回指定物件在集合中第一次出現的索引，從0位置開始，返回-1為不存在該元素。
• int lastIndexOf(Object O) : 返回指定物件在集合中最後一次出現的索引位置，返回-1為不存在。
• ListIterator<E> listIterator() : 以正確的順序返回集合中元素的列表迭代器。
• ListIterator<E> listIterator(int index) : 以正確的順序返回集合中元素的列表迭代器，從集合中指定的位置開始。
• E remove(int index) : 移除集合中指定位置的元素。
• E set(int index, E element) : 用指定元素替換集合中指定位置的元素。
• List<E> subList(int fromIndex, int toIndex) : 返回集合中指定的fromIndex（包括）和toIndex(不包括)之間的部分檢視。
List介面提供了名稱為ListIterator的特殊迭代器。
List在資料結構中分別表現為陣列、向量、連結串列、堆疊、佇列等形式。
Ø ArrayList的特點、實現機制及使用方法
a) ArrayList特點：
ArrayList顧名思義，它是用陣列實現的一種線性表。常規陣列不具備自動遞增的功能，但是ArrayList在使用時我們不必考慮這個問題。可以直接按位置進行索引，查詢和修改速度較快，缺點是插入或者刪除速度較慢。在執行插入刪除時呼叫的是System.arraycopy方法，是一個native方法。
b) ArrayList的實現機制：
在JDK原始碼中可以看到ArrayList總共只有兩個屬性，一個是Object陣列型別的elementData，一個是int型的size。
在構造方法中也可以看到，無參構造方法呼叫的是this(10)，呼叫的帶一個引數的構造方法，預設無參構造方法分配一個size為10的陣列。按照Collection介面中定義的構造方法，它必須有一個通過其它集合物件構造自身物件的方法。這是一個相對比較簡單的線性表。並且JDK中提供了大量的比較好用的方法可以使用。該動態陣列在儲存空間不足時按照下面方法重新分配空間：
newCapacity = (oldCapacity*3)/2 + 1;
if(newCapacity < minCapacity) newCapacity = minCapacity;
c) 使用方法（ArrayList的使用方法其實是比較簡單，但是也是比較常用和好用的，個人感覺）
下面例子為了儘可能多的用到ArrayList的方法，可能看起來沒有多大意義
import java.util.ArrayList;
import java.util.Iterator;
import java.util.List;
public class ExampleForArrayList {
public static void main(String[] args) {
String[] str = new String[]{"My", "name", "is", "Wang", "Yan", "tao"};
List<String> ls1 = new ArrayList<String>(10);
//把陣列中的資料新增到ls1中
for(int i=0; i<str.length; i++) {
ls1.add(str[i]);
}
//使用ls1來構造ls2
List<String> ls2 = new ArrayList<String>(ls1);
System.out.println("ls2中元素的個數：" + ls2.size());
System.out.println("is在ls2中的位置：" + ls2.indexOf("is"));
System.out.println("Wang在ls2中最後一次出現的位置：" + ls2.lastIndexOf("Wang"));
System.out.println("ls2中的所有元素：");
//這裡使用iterator遍歷
Iterator<String> it = ls2.listIterator();
while(it.hasNext()) {
System.out.println(it.next());
}
//我一般使用下面方法遍歷,或者基本的for迴圈遍歷
for(String tmp : ls2) {
System.out.println(tmp);
}
}
}a) LinkedList的特點：
現在發現java中類的命名真是太好了，比如這個吧，一看就知道它使用連結串列實現的。連結串列操作的優點就是插入刪除比較快，但是不能按索引直接存取，所以執行更新操作比較快，執行查詢操作比較慢。它的整體特性由於ArrayList。
b) LinkedList實現機制：
檢視jdk原始碼可以得知每個元素在LinkedList中都是一個LinkedList.Entry的例項物件。該類定義如下：
private static class Entry<E> {
E element;
Entry<E> next;
Entry<E> previous;
Entry(E element, Entry<E> next, Entry<E> previous) {
this.element = element;
this.next = next;
this.previous = previous;
}
}在構造方法中這樣的定義：
header.next = header.previous = header;
也就是說LinkedList底層使用一個迴圈雙向連結串列實現的。
LinkedList實現了許多對first和last元素進行操作的方法，比如set、get、remove等。
雖然LinkedList獲取指定位置的元素時較ArrayList按索引獲取較慢，但是JDK中對get方法做了優化：
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;
}雖然還是順序挨個查詢，但是已經做了優化。size>>1 == size/2，移位運算要比除法運算效率高的多。
c) LinkedList和ArrayList的使用方法類似，只是看自己的需要進行選擇了。除此之外LinkedList還實現了棧操作的所有方法。
Ø Vector的特點、實現機制及使用方法
a) Vector的特點：
ArrayList實現的是一種動態陣列，LinkedList是一種雙向迴圈連結串列，Vector並未在前兩者的基礎上做實現，而是直接實現了List介面。Vector中的所有方法前面都有一個synchronized關鍵字做修飾。Vector是有序可重複的。
b) Vector的實現機制：
我暫時還不理解為什麼要實現Vector這個類，和ArrayList基本是一樣的，不一樣的是Vector是執行緒安全的，但是Collections裡面提供了將非執行緒安全的集合轉換成執行緒安全的集合的方法。
c) Vector的使用方法(與ArrayList使用方法類似)
Ø Stack的特點、實現機制及使用方法
a) Stack的特點：
Stack（棧）是一種後進先出的序列，主要操作有判空、壓棧、退棧、取棧頂元素等。
b) Stack的實現機制：
Stack繼承自Vector，同樣使用陣列儲存資料，根據該資料結構的特點進行了限制性操作。JDK中共提供了6個方法用於實現特定要求的操作：
• Stack() : 構造一個空的棧
• empty() : 判斷棧是否為空
• peek() : 檢視棧頂元素並返回棧頂物件
• pop() : 刪除棧頂元素並返回棧頂物件
• push(E element) : 將一個元素壓入當前棧中
• search(Object o) : 檢視指定物件是否在當前棧中
c) Stack的使用方法
import java.util.Stack;
public class ExampleForStack {
/*
* 這是一個非常簡單的例子
* 用於展現棧的這種後進先出的特性
* 逆序列印一個字串
*/
public static void main(String[] args) {
String str = "abcdefghijklmnopqrstuvwxyz";
Stack<Character> stack = new Stack<Character>();
for(char ch : str.toCharArray()) {
stack.push(ch);
}
while(!stack.empty()) {
System.out.print(stack.pop());
}
}
}Ø CopyOnWriteArrayList的特點、實現機制及使用方法
a) CopyOnWriteArrayList的特點：
CopyOnWriteArrayList是java.util.concurrent包中的一個類，此類是一個執行緒安全類。由於用到了ReentrantLock（重入鎖）同步，所以在修改效率上較ArrayList差。
b) CopyOnWriteArrayList的實現機制：
剛開始覺得這個名字好長，並且感覺奇怪，為什麼要這樣命名？首先這是一個為了實現併發同步而設計的類，那麼在所有與修改方法相關的地方均會使用lock來保證同步。Copy-on-write的英文釋義是“寫時拷貝、寫時複製”，現在看來覺得這個名字就更容易理解了，那麼這個類到底是怎麼實現的呢？面試官說：“踏踏實實看原始碼”。-_-|||
首先說一下寫方法：
• public E set(int index, E element) : 將指定位置的元素使用element替換掉。JDK中的原始碼如下：
public E set(int index, E element) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
Object oldValue = elements[index];
if (oldValue != element) {
int len = elements.length;
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len);
newElements[index] = element;
setArray(newElements);
} else {
setArray(elements);
}
return (E)oldValue;
} finally {
lock.unlock();
}
}在原始碼中可以看出，首先執行寫入（包括set,add,remove等）操作時，首先得到一把當前物件的重入鎖，其次獲得當前物件元素的一個拷貝（寫時拷貝），再次用修改後的元素替換掉原來的元素，最終釋放鎖。
這裡引用兩個常識：
1、JAVA中“=”操作只是將引用和某個物件關聯，假如同時有一個執行緒將引用指向另外一個物件，一個執行緒獲取這個引用指向的物件，那麼他們之間不會發生ConcurrentModificationException，他們是在虛擬機器層面阻塞的，而且速度非常快，幾乎不需要CPU時間。
2、JAVA中兩個不同的引用指向同一個物件，當第一個引用指向另外一個物件時，第二個引用還將保持原來的物件。
• public void add(E e) : 向當前物件中加入指定元素。實現方式與set相同，均是copy-on-write。
• 還有remove等修改內容的操作。
除寫方法（修改，刪除，新增）外，CopyOnWriteArrayList類還提供了ArrayList相類似和功能更齊全的方法供選擇使用。
• public ListIterator<E> listIterator() : 該方法返回一個ListIterator型別的迭代器，但是該迭代器的真正型別是COWIterator型別的，不允許有插入、刪除、新增等方法。
使用方法與ArrayList類似，只是用時選擇的問題。因為在寫操作時大量使用了System.arrayCopy方法，所以在效率上會有所降低。因此它適合使用在讀操作遠遠大於寫操作的場景中。