Java核心（四）你不知道的資料集合
導讀：Map竟然不屬於Java集合框架的子集？佇列也和List一樣屬於集合的三大子集之一？更有佇列的正確使用姿勢，一起來看吧！
Java中的集合通常指的是Collection下的三個集合框架List、Set、Queue和Map集合，Map並不屬於Collection的子集，而是和它平行的頂級介面。Collection下的子集的關係如文章開頭圖片所示。
本文的重點將會圍繞：集合的使用、效能、執行緒安全、差異性、原始碼解讀等幾個方面進行介紹。
本文涉及的知識點，分為兩部分：
第一部分，Collection所有子集：
- List => Vector、ArrayList、LinkedList
- Set => HashSet、TreeSet
- Queue
第二部分，Map => Hashtable、HashMap、TreeMap、ConcurrentHashMap。
一、List
我們先來看List、Vector、ArrayList、LinkedList，它們之間的繼承關係圖，如下圖：
可以看出Vector、ArrayList、LinkedList，這三者都是實現集合框架中的List，也就是所謂的有序集合，因此具體功能也比較近似，比如都提供按照位置進行定位、新增或者刪除的操作，都提供迭代器以遍歷其內容等。但因為具體的設計區別，在行為、效能、執行緒安全等方面，表現又有很大不同。
來看它們的主要方法，如下圖：
常用方法：
- size 集合個數
- add()/add(int, E) 新增末尾/新增指定位置
- get(int) 獲取
- remove 刪除
- clear 清空
- ...
1.1 Vector
Vector是Java早期提供的 執行緒安全的動態陣列， 如果不需要執行緒安全，並不建議選擇，畢竟同步是有額外開銷的。Vector 內部是使用物件陣列來儲存資料，可以根據需要自動的增加容量，當陣列已滿時，會建立新的陣列，並拷貝原有陣列資料。
看原始碼可以知道，我們Vector是通過 synchronized 實現執行緒安全的：
public synchronized boolean add(E e) {
modCount++;
ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
elementData[elementCount++] = e;
return true;
}
複製程式碼
Vector動態增加容量，原始碼檢視：
private void grow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
int newCapacity = oldCapacity + ((capacityIncrement > 0) ?
capacityIncrement : oldCapacity);
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
複製程式碼
capacityIncrement變數是what？答案如下：
public Vector(int initialCapacity, int capacityIncrement) {
super();
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
initialCapacity);
this.elementData = new Object[initialCapacity];
this.capacityIncrement = capacityIncrement;
}
複製程式碼
Vector動態增加容量總結：由上面的原始碼可知，如果初始化Vector的時候指定了動態容量擴充套件大小，就增加指定的動態大小，如果未指定，則擴充套件一倍的容量。
1.2 ArrayList
ArrayList 是應用更加廣泛的 動態陣列 ，它本身不是執行緒安全的，所以效能要好很多。
ArrayList的使用與Vector類似，但有著不同的動態擴容機制，如下原始碼：
private void grow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
// minCapacity is usually close to size, so this is a win:
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
複製程式碼
其中“>> 1”是位運算相當於除2，所有ArrayList擴容是動態擴充套件50%.
1.3 LinkedList
LinkedList 顧名思義是 Java 提供的 雙向連結串列 ，所以它不需要像上面兩種那樣調整容量，它也不是執行緒安全的，它包含一個非常重要的內部類：Entry。Entry是雙向連結串列節點所對應的資料結構，它包括的屬性有：當前節點所包含的值，上一個節點，下一個節點。
1.4 Vector、ArrayList、LinkedList區別
Vector、ArrayList、LinkedList的區別，可以從以下幾個維度進行對比：
1.4.1 底層實現的區別
Vector、ArrayList 內部使用陣列進行實現，LinkedList 內部使用雙向連結串列實現。
1.4.2 讀寫效能方面的區別
ArrayList 對元素 非末位 的增加和刪除都會引起記憶體分配空間的動態變化，因此非末位的操作速度較慢，但檢索速度很快。
LinkedList 基於連結串列方式存放資料，增加和刪除元素的速度較快，但是檢索速度較慢。
1.4.3 執行緒安全方面的區別
Vector 使用了synchronized 修飾了操作方法是執行緒安全的，而 ArrayList、LinkedList 是非執行緒安全的。
如果需要使用執行緒安全的List可以使用CopyOnWriteArrayList類。
二、Map
Hashtable、HashMap、TreeMap 都是最常見的一些 Map 實現，是以 鍵值對 的形式儲存和操作資料的容器型別。
它們之間的關係，如下圖：
- Hashtable 是早期 Java 類庫提供的一個雜湊表實現，本身是同步的，不支援 null 鍵和值，由於同步導致的效能開銷，所以已經很少被推薦使用。
- HashMap 是應用更加廣泛的雜湊表實現，行為上大致上與 HashTable 一致，主要區別在於 HashMap 不是同步的，支援 null 鍵和值等。通常情況下，HashMap 進行 put 或者 get 操作，可以達到常數時間的效能，所以 它是絕大部分利用鍵值對存取場景的首選 ，比如，實現一個使用者 ID 和使用者資訊對應的執行時儲存結構。
- TreeMap 則是基於紅黑樹的一種提供順序訪問的 Map，和 HashMap 不同，它的 get、put、remove 之類操作都是 O（log(n)）的時間複雜度，具體順序可以由指定的 Comparator 來決定，或者根據鍵的自然順序來判斷。
HashMap 的效能表現非常依賴於雜湊碼的有效性，請務必掌握 hashCode 和 equals 的一些基本約定，比如：
- equals 相等，hashCode 一定要相等；
- 重寫了 equals 也要重寫 hashCode；
- hashCode 需要保持一致性，狀態改變返回的雜湊值仍然要一致；
- equals 的對稱、反射、傳遞等特性；
執行緒安全：Hashtable是執行緒安全的，HashMap和TreeMap是非執行緒安全的。HashMap可以使用ConcurrentHashMap來保證執行緒安全。
三、Set
Set有兩個比較常用的子集：HashSet、TreeSet.
HashSet內部使用的是HashMap實現的，看原始碼可知：
public HashSet() {
map = new HashMap<>();
}
複製程式碼
HashSet也並不是執行緒安全的，HashSet用於儲存無序(存入和取出的順序不一定相同)元素，值也不能重複。
HashSet可以去除重複的值，如下程式碼：
public static void main(String[] args) {
Set set = new HashSet();
set.add("orange");
set.add("apple");
set.add("banana");
set.add("grape");
set.add("banana");
System.out.println(set);
}
複製程式碼
編譯器不會報錯，執行的結果為：[orange, banana, apple, grape]，去掉了重複的“banana”選項。但排序是無序的，如果要實現有序的儲存就要使用TreeSet了。
public static void main(String[] args) {
Set set = new TreeSet();
set.add("orange");
set.add("apple");
set.add("banana");
set.add("grape");
set.add("banana");
System.out.println(set);
}
複製程式碼
輸出的結果是：[apple, banana, grape, orange]
同樣，我們檢視原始碼發現，TreeSet的底層實現是TreeMap，原始碼如下：
public TreeSet() {
this(new TreeMap<E,Object>());
}
複製程式碼
TreeSet也是非執行緒安全的。
四、Queue
Queue（佇列）與棧是相對的一種資料結構。只允許在一端進行插入操作，而在另一端進行刪除操作的線性表。棧的特點是後進先出，而佇列的特點是先進先出。佇列的用處很大，但大多都是在其他的資料結構中，比如，樹的按層遍歷，圖的廣度優先搜尋等都需要使用佇列做為輔助資料結構。
Queue的直接子集，如下圖：
其中最常用的就是執行緒安全類：BlockingQueue.
4.1 Queue方法
- 新增：add(e) / offer(e)
- 移除：remove() / poll()
- 查詢：element() / peek()
注意：
- 避免add()和remove()方法，而是要使用offer()和poll()新增和移除元素。後者操作失敗不會報錯，前者會丟擲異常；
- element() / peek() 都為查詢第一個元素，不會刪除集合，但element()查詢失敗會丟擲異常，peek()不會。
4.2 Queue使用
Queue<String> queue =new LinkedList<String>();
queue.offer("a");
queue.offer("b");
queue.offer("c");
queue.offer("d");
System.out.println(queue);
queue.poll();
System.out.println(queue);
queue.poll();
queue.poll();
queue.poll();
System.out.println(queue.peek());
// System.out.println(queue.element()); // element 查詢失敗會丟擲異常
System.out.println(queue);
複製程式碼
4.3 其他佇列
ArrayBlockingQueue 底層是陣列，有界佇列，如果我們要使用生產者-消費者模式，這是非常好的選擇。
LinkedBlockingQueue 底層是連結串列，可以當做無界和有界佇列來使用，所以大家不要以為它就是無界佇列。
SynchronousQueue 本身不帶有空間來儲存任何元素，使用上可以選擇公平模式和非公平模式。
PriorityBlockingQueue 是無界佇列，基於陣列，資料結構為二叉堆，陣列第一個也是樹的根節點總是最小值。
ArrayBlockingQueue ：一個由陣列結構組成的有界阻塞佇列。
LinkedBlockingQueue ：一個由連結串列結構組成的有界阻塞佇列。
PriorityBlockingQueue ：一個支援優先順序排序的無界阻塞佇列。
DelayQueue：一個使用優先順序佇列實現的無界阻塞佇列。
SynchronousQueue：一個不儲存元素的阻塞佇列。
LinkedTransferQueue：一個由連結串列結構組成的無界阻塞佇列。
LinkedBlockingDeque：一個由連結串列結構組成的雙向阻塞佇列
五、擴充套件：String的執行緒安全
關於String、StringBuffer、StringBuilder的執行緒安全
String是典型的Immutable（不可變）類，被宣告為final所有屬性也都是final，所有它是不可變的，所有拼加、擷取等動作等會產生新的String物件。
StringBuffer是為了解決上面的問題，而誕生的，提供了append方法實現了對字串的拼加，append方法使用了synchronized實現了執行緒安全。
StringBuilder是JDK 1.5 新出的特性，作為StringBuffer的效能補充，StringBuffer的append方法使用了synchronized實現了執行緒的安全，但同時也帶來了效能開銷，在沒有執行緒安全的情況下可以優先使用StringBuilder。
六、總結
List 也就是我們前面介紹最多的有序集合，它提供了方便的訪問、插入、刪除等操作。
Set 是不允許重複元素的，這是和 List 最明顯的區別，也就是不存在兩個物件 equals 返回 true。我們在日常開發中有很多需要保證元素唯一性的場合。
Queue/Deque 則是 Java 提供的標準佇列結構的實現，除了集合的基本功能，它還支援類似先入先出（FIFO， First-in-First-Out）或者後入先出（LIFO，Last-In-First-Out）等特定行為。這裡不包括 BlockingQueue，因為通常是併發程式設計場合，所以被放置在併發包裡。
Map 是廣義 Java 集合框架中的另外一部分，Map 介面儲存一組鍵值物件，提供key（鍵）到value（值）的對映。