Java 常用数据结构对象的实现原理 集合类 List Set Map 哪些线程安全 (美团面试题目)

时间:2022-05-20 19:28:02
Java中的集合包括三大类,它们是Set、List和Map,
它们都处于java.util包中,Set、List和Map都是接口,它们有各自的实现类。
List、Set都继承自Collection接口,Collection (所有集合类的接口)
  • Set(集) 实现类主要有HashSet和TreeSet
  • List(列表) 实现类主要有ArrayList,LinkedList,Vector
  • Map(映射)实现类主要有HashMap和TreeMap,HashTable
  • 线程安全类

  • 在集合框架中,有些类是线程安全的,这些都是jdk1.1中的出现的。在jdk1.2之后,就出现许许多多非线程安全的类。 下面是这些线程安全的同步的类:

    vector:就比arraylist多了个同步化机制(线程安全),因为效率较低,现在已经不太建议使用。在web应用中,特别是前台页面,往往效率(页面响应速度)是优先考虑的。

    statck:堆栈类,先进后出

    hashtable:就比hashmap多了个线程安全

    enumeration:枚举,相当于迭代器

  • StringBuffer也是线程安全的,(StringBuilder 不是线程安全的)

  • 除了这些之外,其他的都是非线程安全的类和接口。

    线程安全的类其方法是同步的,每次只能一个访问。是重量级对象,效率较低。

  • Collection 和 Map 的区别

    容器内每个为之所存储的元素个数不同。Collection类型者,每个位置只有一个元素。Map类型者,持有 key-value pair,像个小型数据库。

    List,Set都是继承自Collection接口,Map则不是

    (a) Collection
         --List:将以特定次序存储元素。所以取出来的顺序可能和放入顺序不同。
               --ArrayList / LinkedList / Vector
         --Set : 不能含有重复的元素
               --HashSet / TreeSet
     (b) Map
         --HashMap
         --HashTable
         --TreeMap

    总结
  • List,Set,Map将持有对象一律视为Object型别。

    Collection、List、Set、Map都是接口,不能实例化。    继承自它们的 ArrayList, Vector, HashTable, HashMap是具象class,这些才可被实例化。
    vector容器确切知道它所持有的对象隶属什么型别。vector不进行边界检查。

    1. 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。
    2. 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。
    3. 在除需要排序时使用TreeSet,TreeMap外,都应使用HashSet,HashMap,因为他们 的效率更高。
    4. 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。 
    5. 容器类仅能持有对象引用(指向对象的指针),而不是将对象信息copy一份至数列某位置。一旦将对象置入容器内,便损失了该对象的型别信息。
    6. 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。

  • 7. set中不允许有重复的元素存在
  • 8. map的 key 集合和 set集合都不允许有重复的元素存在,list可以有重复的元素存在

    注意:
    1、Collection没有get()方法来取得某个元素。只能通过iterator()遍历元素。
    2、Set和Collection拥有一模一样的接口。
    3、List,可以通过get()方法来一次取出一个元素。使用数字来选择一堆对象中的一个,get(0)...。(add/get)
    4、一般使用ArrayList。用LinkedList构造堆栈stack、队列queue。
    5、Map用 put(k,v) / get(k),还可以使用containsKey()/containsValue()来检查其中是否含有某个key/value。
          HashMap会利用对象的hashCode来快速找到key。
    6、Map中元素,可以将key序列、value序列单独抽取出来。
    使用keySet()抽取key序列,将map中的所有keys生成一个Set。
    使用values()抽取value序列,将map中的所有values生成一个Collection。
    为什么一个生成Set,一个生成Collection?那是因为,key总是独一无二的,value允许重复。  

(2)List中的对象按照索引位置排序,可以有重复对象,允许按照对象在集合中的索引位置检索对象,如通过list.get(i)方式来获得List集合中的元素。
    (3)Set中的对象不按特定方式排序,并且没有重复对象。但它的有些实现类能对集合中的对象按特定方式排序,例如TreeSet类,它可以按照默认排序,也可以通过实现             java.util.Comparator<Type>接口来自定义排序方式。  
    (4) Map中的每一个元素包含一个键对象和值对象,它们成对出现。键对象不能重复,值对象可以重复。

关系如图:

Java 常用数据结构对象的实现原理 集合类 List Set Map 哪些线程安全 (美团面试题目)

或者:

Java 常用数据结构对象的实现原理 集合类 List Set Map 哪些线程安全 (美团面试题目)

Collections (操作集合的工具类)
对于集合类的操作不得不提到工具类Collections,它提供了许多方便的方法,如求两个集合的差集、并集、拷贝、排序等等。
由于大部分的集合接口实现类都是不同步的,可以使用Collections.synchronized*方法创建同步的集合类对象。
如创建一个同步的List:
List synList = Collections.synchronizedList(new ArrayList());
其实现原理就是重新封装new出来的对象,操作对象时用关键字synchronized同步。看源码很容易理解。
Collections部分源码:

static class SynchronizedCollection<e> implements Collection<e>, Serializable {

        final Collection<e> c;  // Backing Collection
final Object mutex; // Object on which to synchronize SynchronizedCollection(Collection<e> c) {
if (c==null)
throw new NullPointerException();
this.c = c;
mutex = this;
}
//...
public boolean add(E e) {
//操作集合时简单调用原本的ArrayList对象,只是做了同步
synchronized (mutex) {return c.add(e);}
}
//...

List(列表)

ArrayList、Vector是线性表,使用Object数组作为容器去存储数据的,添加了很多方法维护这个数组,使其容量可以动态增长,极大地提升了开发效率。它们明显的区别是ArrayList是非同步的,Vector是同步的。不用考虑多线程时应使用ArrayList来提升效率。

LinkedList是链表,略懂数据结构就知道其实现原理了。链表随机位置插入、删除数据时比线性表快,遍历比线性表慢。

由此可根据实际情况来选择使用ArrayList(非同步、非频繁删除时选择)、Vector(需同步时选择)、LinkedList(频繁在任意位置插入、删除时选择)。

Map(存储键值对,key唯一)

HashMap结构的实现原理是将put进来的key-value封装成一个Entry对象存储到一个Entry数组中,位置(数组下标)由key的哈希值与数组长度计算而来。如果数组当前下标已有值,则将数组当前下标的值指向新添加的Entry对象。

public class HashMap<k,v> extends AbstractMap<k,v> implements Map<k,v>, Cloneable, Serializable
{
transient Entry<k,v>[] table;
public V put(K key, V value) {
if (key == null)
return putForNullKey(value);
int hash = hash(key);
int i = indexFor(hash, table.length);
//遍历当前下标的Entry对象链,如果key已存在则替换
for (Entry<k,v> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
Object k;
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}
}
static class Entry<k,v> implements Map.Entry<k,v> {
final K key;
V value;
Entry<k,v> next;
int hash;
}

TreeMap是由Entry对象为节点组成的一颗红黑树,put到TreeMap的数据默认按key的自然顺序排序,new TreeMap时传入Comparator自定义排序。红黑树网上很多资料,我讲不清,这里就不介绍了。

Set(保证容器内元素唯一性)

之所以先讲Map是因为Set结构其实就是维护一个Map来存储数据的,利用Map结构key值唯一性。 
HashSet部分源码:

public class HashSet<e>
extends AbstractSet<e>
implements Set<e>, Cloneable, java.io.Serializable
{ //无意义对象来作为Map的value
private static final Object PRESENT = new Object();
public boolean add(E e) {
return map.put(e, PRESENT)==null;
}
}

HashMap和HashTable的区别

具体的区别请参考:HashMap、HashTable、ConcurrentHashMap、HashSet区别 线程安全类

StringBuffer是线程安全,而StringBuilder是线程不安全的。对于安全与不安全没有深入的理解情况下,易造成这样的错觉,如果对于StringBuffer的操作均是线程安全的,然而,Java给你的保证的线程安全,是说它的方法是执行是排它的,而不是对这个对象本身的多次调用情况下,还是安全的。看看下边的例子,在StringBufferTest中有一个数据成员contents它是用来扩展的,它的每一次append是线程安全的,但众多次append的组合并不是线程安全的,这个输出结果不是太可控的,但如果对于log和getContest方法加关键字synchronized,那么结果就会变得非常条理,如果换成StringBuider甚至是append到一半,它也会让位于其它在此基础上操作的线程:

参考:Java基础之常用数据结构及原理分析