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java常用容器简要性能分析(List。Map。Set)

2015 年 2 月 7 日

嗯，实习的时候看到这个，感觉蛮好，这里摘录学习，生活加油：

我曾经害怕别人嘲笑的目光，后来，发现他们的目光不会在我身上停留太久，人们更愿意把目光放在自己身上。 知乎上看到，讲给自己。

List

List和Set都属于Collection的子接口，List集合中的元素是按照插入顺序进行排列的，允许出现重复元素，

List接口下的常用实现类有 ArrayList和LinkedList ，对于List来讲，

元素只能是通过set更新，不能通过add更新，通过add只能在指定索引位置添加元素，不会实现元素的覆盖，通过remove移除

接口继承关系：

ArrayList ：

// 查找指定位置元素的下标
public int indexOf(Object o);
// 查找指定元素最后一次出现的位置
public int lastIndexOf(Object o) ；
// 清空集合元素
public void clear()；
// 等等......

ArrayList的特点: **

  • ArrayList内部是使用 数组来存储数据 ，并且是一个 “动态”的数组 ，在添加元素时，如果发现 容量不够时，会进 行扩容 。
  • ArrayList支持 随机访问元素 ， 随机访问元素的效率是O（1）
  • ArrayList在 尾部添加元素的效率为O（1） ， add方法默认在尾部进行添加，在使用的时候最好在尾部添加元素 效率更佳
  • ArrayList在进行 删除元素或者在中间、头部插入元素时会导致数组内部移动 ，进行 数组拷贝，平均时间复杂度 为O（n）  

ArrayList的迭代方式:

  1. 1、下标迭代 
// 使用下标对List进行外部迭代
for (int i = 0; i < list.size(); i++) { System.out.println(list.get(i));}
  1. 2、可以使用增强for进行迭代 
// 采用增强for的迭代方式其实底层是使用迭代器进行迭代，在迭代的过程中不允许对元素进行修改
for (String s : list) { System.out.println(s);}
  1. 3、采用内部迭代的方式 
// 内部迭代forEach,在迭代的过程中仍然不允许对元素进行修改过删除操作
list.forEach(item -> System.out.println(item));
// 内部迭代还支持并行方式对元素进行迭代 如果数据量非常大的时候可以采用该方式（一般不采用）迭代出来的元素可能无序
list.parallelStream().forEach(System.out::println);

list.stream().forEach(System.out::print);
  1. 4、内部迭代底层实现 
public void forEach(Consumer action) { Objects.requireNonNull(action);
final int expectedModCount = modCount; @SuppressWarnings("unchecked")
final E[] elementData = (E[]) this.elementData; final int size = this.size;
for (int i=0; modCount == expectedModCount && i < size; i++) { action.accept(elementData[i]);
}
if (modCount != expectedModCount) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
  1. 5、使用迭代器进行迭代 
// 直接使用迭代器进行迭代 这种迭代方式允许在迭代中对元素进行修改和删除操作
Iterator iterator = list.iterator(); while (iterator.hasNext()){
System.out.println(iterator.next());
}

几种迭代方式的性能比较

在数据规模为 一千万的情况下内部迭代表现较好 ，尽管在千万级的数据量并 行迭代依然速度不快，因为在线程的频换 切换和销毁等因素造成了一定的开销。

在 百万数据规模 的情况下， 增强for的性能较好 ，可以根据数据量来对元素进行迭代， fori方式和增强for性能差异不是很大。

LinkedList:

LinkedList继承自AbstractSequentialList可以知道LinkedList的元素是 顺序访问的 ，随机访问元素需要对链表进行遍历， 同样实现了克隆和序列化接口LinkedList还实现了 Deque相关的方法 ，可以当做一个队列来使用

LinkedList的类继承关系

LinkedList的特点:

  1. LinkedList的内部数据结构是一个 双向链表 ， 有一个头结点和一个尾部节点，在头部和尾部插入的效率非常高O（1）
  2. LinkedList的 平均查找效率为O（n）
  3. LinkedList的 删除和修改都需要先定位元素的位置，但是对于删除操作本身只需要O（1）的时间复杂度 LinkedList因为 采用了链表结构，所以理论空间是没有限制的，不需要扩容
  4. LinkedList在使用 下标访问元素的时候使用了折半查找，但是在数据量大的情况下，查找效率依然很慢 便于用作LRU

LinkedList的迭代方式

  • LinkedList的迭代方式其实和ArrayList大同小异，但是ArrayList在进行get（index）的操作只需要O（1）的时间复杂度

所以我们在使用LinkedList的时候不采用fori形式的遍历

  • 增强for方式进行遍历，其实相当于使用迭代器进行访问，增强for反编译以后其实就是iterator
  • 使用 迭代器对链表进行迭代，Linked的迭代器内部就是从头节点开始依次向下寻找节点
  • 使用内部迭代forEach方式

几种迭代方式的比较:

  1. LinkedList使用 增强for方式进行遍历速度较快 ，使用该fori进行遍历时候， 在百万级数据量程序直接卡死，所以LinkedList严禁使用fori遍历
    1.  
  2. 在千万级别数据量的情况下， 速度和ArrayList差不多，但ArrayList较快，因为ArrayList数据空间是连续的
    1.  

ArrayList和LinkedList的区别

  • 是否保证线程安全 ： ArrayList 和 LinkedList 都是 不同步的，也就是不保证线程安全；
  • 底层数据结构 ： Arraylist 底层使用的是 Object数组 ；LinkedList 底层使用的是 双向链表数据结构 （ JDK1.6之前为循环链表，JDK1.7取消了循环。注意双向链表和双向循环链表的区别 ，下面有介绍到！）
  • 插入和删除是否受元素位置的影响：
    • ① ArrayList 采用 数组存储 ， 所以插入和删除元素的时间复杂度受元素位置的影响 。 比如：执行add(E e)方法的时候， ArrayList 会默认在 将指定的元素追加到此列表的末尾 ，这种情况时间复杂度就是O(1)。但是如果要在指定 位置 i 插入和删除元素的话（add(int index, E element)）时间复杂度就为 O(n-i) 。因为在进行上述操作的时候集合中第 i 和第 i 个元素之后的(n-i)个元素都要执行向后位/向前移一位的操作。
    • ② LinkedList 采用 链表存储 ，所以 插入，删除元素时间复杂度不受元素位置的影响，都是近似 O（1）而数组为近似 O（n） 。
  • 是 否支持快速随机访问： LinkedList 不支持高效的随机元素访问，而 ArrayList 支持 。快速随机访问就是通过元素的序号快速获取元素对象(对应于get(int index)方法)。
  • 内存空间占用 ： ArrayList的空 间浪费主要体现在在list列表的结尾会预留一定的容量空间，而LinkedList的空间花费则体现在它的每一个元素都需要消耗比ArrayList更多的空间 （因为要存放直接后继和直接前驱以及数据）

Map:

Map 是 双列集合，即存储元素的时候是键值对的形式在Map中存储的，一个Entry结构的键值对映射，一个键对 应一个值，不允许出现重复的键，

HashMap

HashMap的类继承关系:

  • HashMap继承自AbstractMap同样一个抽象类的出现是为了实现一些子类通用的方法，一些个性化的方法还需要子类 去实现
  • HashMap内部是使用了 散列表+红黑树 进行存储数据的，即 数组+链表+红黑树

HashMap的特点

  • HashMap使用 位运算将HashMap中数组的大小一定是2的N次方 ，保证了在取出元素时候通过与运算能更高效 和更精确的定位数组下标 
  • 即使两个不一样的元素也可能会出现同样的 hashCode ，HashMap使用 拉链法设计解决了Hash冲突问题 ,同一个 散列槽（在我们这里就是数组的每一个槽）中的所有元素放到一个链表中
  • HashMap在 某一个槽上的 链表长度大于等于8 的时候并且 HashMap中数组的长度大于等于64 会进行 树化 ，将 链表转换成红黑树以提升查询效率
  • 在 增删改查元素的时候平均时间复杂度为O（1）非常高效
  • HashMap在插入的时候 允许空键空值
  • HashMap是 非同步的 ，多线程同时操作的时候会发生并发修改异常

HashMap的迭代方式

  • 通过keySet||value Set 进行遍历 
// 获取到所有的key然后依次进行获取
Set keySet = map.keySet(); Integer val = 0;
for (Integer key : keySet) { val = map.get(key);
System.out.print("");
}
  • 通过entrySet对map进行遍历 
Set<Map.Entry> entrySet = map.entrySet();
for (Map.Entry entry : entrySet) {
System.out.print("");
}
  • 使用内部迭代 
Map objectObjectMap = new HashMap();
objectObjectMap.forEach( (o1, o2) ->System.out.println(o1.toString()+o2));
// 内部迭代底层依然是使用entrySet进行迭代，效率不如直接使用外部迭代
default void forEach(BiConsumer action) { Objects.requireNonNull(action);
for (Map.Entry entry : entrySet()) { K k;
V v; try {
k = entry.getKey();
v = entry.getValue();
} catch(IllegalStateException ise) {
// this usually means the entry is no longer in the map. throw new ConcurrentModificationException(ise);
}
action.accept(k, v);
}
}

几种迭代方式的性能差异

LinkedHashMap:

LinkedHashMap是HashMap的一个子类，内部维护了一个双向链表保证了元素插入的顺序

HashMap的类继承关系

LinkedHashMap的数据结构

LinkedHashMap的特点

  • LinkedHashMap是 HashMap的子类，其增删改查的平均时间复杂度依然是O（1）
  • LinkedHashMap的 节点占用了更多的空间，包括指向前一个节点的指针before和指向后一个节点的after指针
  • LinkedHashMap默认使用 插入顺序进行遍历，也可以使用访问顺序 ，将accessOrder置为true即可

LinkedHashMap的迭代方式

  • 使用 keySet进行遍历 ，keySet返回的是一个LinkedKeySet，LinkedKeySet的遍历方式是按照插入时候的顺序
  • 使用 entrySet进行遍历 ，返回LinkedEntrySet
  • 使用 内部迭代forEach 
public void forEach(BiConsumer action) { if (action == null)
throw new NullPointerException(); int mc = modCount;
for (LinkedHashMap.Entry e = head; e != null; e = e.after) action.accept(e.key, e.value);
if (modCount != mc)
throw new ConcurrentModificationException();
}

TreeMap

TreeMap中的元素默认按照keys的自然排序排列。（对Integer来说，其自然排序就是数字的升序；对String来说，其自然排序就是按照字母表排序）

TreeMap的定义如下：

public class TreeMap
extends AbstractMap
implements NavigableMap, Cloneable, java.io.Serializable

TreeMap继承AbstractMap，实现NavigableMap、Cloneable、Serializable三个接口。其中AbstractMap表明TreeMap为一个Map即支持key-value的集合， NavigableMap（更多）则意味着它支持一系列的导航方法，具备针对给定搜索目标返回最接近匹配项的导航方法 。

TreeMap中同时也包含了如下几个重要的属性：

//比较器，因为TreeMap是有序的，通过comparator接口我们可以对TreeMap的内部排序进行精密的控制
private final Comparator comparator;
//TreeMap红-黑节点，为TreeMap的内部类
private transient Entry root = null;
//容器大小
private transient int size = 0;
//TreeMap修改次数
private transient int modCount = 0;
//红黑树的节点颜色--红色
private static final boolean RED = false;
//红黑树的节点颜色--黑色
private static final boolean BLACK = true;

对于叶子节点Entry是TreeMap的内部类，它有几个重要的属性：

//键
K key;
//值
V value;
//左孩子
Entry left = null;
//右孩子
Entry right = null;
//父亲
Entry parent;
//颜色
boolean color = BLACK;

数据结构：基于红黑树的一种实现，红黑树是自平横的二叉搜索树。二叉搜索树是排序好的二叉树。

Set

Set集合存储元素的特点就是， set存储元素都是无序并且不可重复的，比较常用的两种有HashSet和TreeSet

HashSet：

HashSet的类继承关系

Hashset的顶级接口是 Collection接口，属于单列集合，即每次存储一个元素

HashSet的数据结构 

private transient HashMap map;// 内部维护了一个map，其底层实现靠的就是HashMap，键用于存放值

// Dummy value to associate with an Object in the backing Map
private static final Object PRESENT = new Object();// 这个空的Object对象作为所有的默认Value

/**
*Constructs a new, empty set; the backing HashMap instance has
*default initial capacity (16) and load factor (0.75).
*/
public HashSet() {
map = new HashMap();
}

// add方法其实就是调用了map的put，并传入一个空的value 
public boolean add(E e) {
return map.put(e, PRESENT)==null;
}

因为Set的元素和HashMap中的键是有相同的特征的，HashSet充分利用了HashMap的功能

HashSet的特点:

  • 存储元素时会去重，即集合中的元素都是不可重复的
  • HashSet 没有get方法 ，其实道理也很显而易见，因为元素是无序的所以不能根据下标来访问元素
  • HashSet的 本质就是HashMap

HashSet的迭代方式:

  • 使用迭代器进行迭代，其实本质上返回的就是HashMap的keySet 
public Iterator iterator() { return map.keySet().iterator();
}
  • 使用forEach进行内部迭代，性能不如直接使用迭代器 
set.forEach(k->System.out.println(k));

TreeSet

TreeSet是基于TreeMap实现的，TreeSet的元素支持2种排序方式：自然排序或者根据提供的Comparator进行排序。

继承关系：

TreeSet的特点

  • TreeSet中存储的元素是有序且不可重复的，所谓有序就是按照元素自身的排序顺序，或者使用者自定义比较 方式
  • 和HashSet类似TreeSet的底层实现就是 TreeMap 
public TreeSet() {
this(new TreeMap());
}

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