下面列出了所有集合的類圖：
圖片描述

每個介面做的事情非常明確，比如 Serializable，只負責序列化，Cloneable 只負責拷貝，Map 只負責定義 Map 的介面，整個圖看起來雖然介面眾多，但職責都很清晰；
復雜功能通過介面的繼承來實作，比如 ArrayList 通過實作了 Serializable、Cloneable、RandomAccess、AbstractList、List 等介面，從而擁有了序列化、拷貝、對陣列各種操作定義等各種功能；
上述類圖只能看見繼承的關系，組合的關系還看不出來，比如說 Set 組合封裝 Map 的底層能力等，

上述設計的最大好處是，每個介面能力職責單一，眾多的介面變成了介面能力的積累，假設我們想再實作一個資料結構類，我們就可以從這些已有的能力介面中，挑選出能滿足需求的能力介面，進行一些簡單的組裝，從而加快開發速度，

這種思想在平時的作業中也經常被使用，我們會把一些通用的代碼塊抽象出來，沉淀成代碼塊池，碰到不同的場景的時候，我們就從代碼塊池中，把我們需要的代碼塊提取出來，進行簡單的編排和組裝，從而實作我們需要的場景功能，

1.迭代器

1.1 Itrable

實作了Itrable介面就能進行迭代（遍歷）操作，頂級介面Collection實作了Iterable
遍歷的手段有兩種，但需要具體類自行實作
- 迭代器Iterator，可以實作多個Iterator進行多種方法的迭代（前序，后序…)
- forEach方法，一般由具體子類重寫該方法

public interface Iterable<T> {
    Iterator<T> iterator()
        
    default void forEach(Consumer<? super T> action) {
        Objects.requireNonNull(action);
        for (T t : this) {
            action.accept(t);
        }
    }
    
    default Spliterator<T> spliterator() {
        return Spliterators.spliteratorUnknownSize(iterator(), 0);
    }
}

1.1.1 Iterator介面

常由內部類實作，構造方法回傳，一般用于要對集合進行洗掉的情景

迭代器是一種設計模式，封裝了對集合的遍歷，使得不用了解集合的內部細節，就可以用同樣的方式遍歷不同的集合
迭代器不允許使用集合方法進行集合增刪，但是可以對集合的元素操作（如set()），還可以使用迭代器的remove()
- 不能使用集合的 put 和 remove 方法
- 可用于集合元素屬性的修改：set方法
- remove操作：是Iterator的remove方法

這里特別注意一點，一定要在next()后使用，比如洗掉第一個元素，要先next然后才能remove

public interface Iterator<E> {
   
 	// 每次next之前，先呼叫此方法探測是否迭代到終點
    boolean hasNext();  
    
 	// 回傳當前迭代元素 ，同時，迭代游標后移
    E next();           
              
     /*洗掉最近一次已近迭代出出去的那個元素，
     只有當next執行完后，才能呼叫remove函式，
     比如你要洗掉第一個元素，不能直接呼叫 remove()   而要先next一下( );
     在沒有先呼叫next 就呼叫remove方法是會拋出例外的，
     這個和MySQL中的ResultSet很類似
    */
    void remove() 
    {
        throw new UnsupportedOperationException("remove");
    }
}

迭代器的使用：

// iterator是集合的自己Iterator構造方法
Iterator it = list.iterator();
while(it.hasNext) {
    it.next();
}

1.1.2 增強for回圈

本質是對Iterator的簡化與封裝，一般用于只遍歷集合的情況

增強for回圈：
- 可以用于集合中元素屬性值的修改：set方法
- 但不能對集合新增或者洗掉：modCount控制
demo：

// ArrayList.forEach()
@Override
public void forEach(Consumer<? super E> action) {
  // 判斷非空
  Objects.requireNonNull(action);
  // modCount的原始值被拷貝
  final int expectedModCount = modCount;
  final E[] elementData = (E[]) this.elementData;
  final int size = this.size;
  // 每次回圈都會判斷陣列有沒有被修改，一旦被修改，停止回圈
  for (int i=0; modCount == expectedModCount && i < size; i++) {
    // 執行回圈內容，action 代表我們要干的事情
    action.accept(elementData[i]);
  }
  // 陣列如果被修改了，拋例外
  if (modCount != expectedModCount) {
    throw new ConcurrentModificationException();
  }
}

1.1.2 forEach方法

本質是對for回圈的封裝，配合lamada使用，一般用于修改集合物件屬性的情景

// ArrayList.forEach()
@Override
public void forEach(Consumer<? super E> action) {
  // 判斷非空
  Objects.requireNonNull(action);
  // modCount的原始值被拷貝
  final int expectedModCount = modCount;
  final E[] elementData = (E[]) this.elementData;
  final int size = this.size;
  // 每次回圈都會判斷陣列有沒有被修改，一旦被修改，停止回圈
  for (int i=0; modCount == expectedModCount && i < size; i++) {
    // 執行回圈內容，action 代表我們要干的事情
    action.accept(elementData[i]);
  }
  // 陣列如果被修改了，拋例外
  if (modCount != expectedModCount) {
    throw new ConcurrentModificationException();
  }
}

因為在Iterable介面中default修飾，所以必須自身實作而子類不一定要重寫，在jdk8時所有集合都實作了forEach方法
forEach：
- 修改物件屬性：通過set方法
- 不能進行增刪操作：modCount
demo：

list.forEach(l -> {
    l.setName("zs");
    l.setAge(18);
})

2.2 Map的迭代

map并未實作Itrable介面，但仍可進行迭代

通過set的Iterator進行迭代
最高層Map介面定了forEach方法

1.2.1 Set.iterator

eg. 這里列出 EntrySet & EntryIterator

final class EntrySet extends AbstractSet<Map.Entry<K,V>> {
    public final Iterator<Map.Entry<K,V>> iterator() {
            return new EntryIterator();
        }
}

final class EntryIterator extends HashIterator
        implements Iterator<Map.Entry<K,V>> {
        public final Map.Entry<K,V> next() { return nextNode(); }
}

使用示例：

Iterator<Map.Entry<String,String>> it = map.entrySet().iterator
while (it.hasNext()) {
	Map.Entry<String,String>  me = it.next();
	// 獲取key
	me.getkey();
	// 獲取value
	me.getValue();
}

1.2.2 Map.forEach

Map中定義的forEach，default修飾，實際上也是呼叫entrySet

default void forEach(BiConsumer<? super K, ? super V> action) {
        Objects.requireNonNull(action);
        for (Map.Entry<K, V> 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);
        }
}

HashMap的forEach

@Override
    public void forEach(BiConsumer<? super K, ? super V> action) {
        Node<K,V>[] tab;
        if (action == null)
            throw new NullPointerException();
        if (size > 0 && (tab = table) != null) {
            int mc = modCount;
            for (int i = 0; i < tab.length; ++i) {
                for (Node<K,V> e = tab[i]; e != null; e = e.next)
                    action.accept(e.key, e.value);
            }
            if (modCount != mc)
                throw new ConcurrentModificationException();
       }
 }

2.批量操作

2.1 批量新增

下面列出 ArrayList.addAll 方法的原始碼：

public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
  Object[] a = c.toArray();
  int numNew = a.length;
  // 確保容量充足，整個程序只會擴容一次
  ensureCapacityInternal(size + numNew); 
  // 進行陣列的拷貝
  System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
  size += numNew;
  return numNew != 0;
}

我們可以看到，整個批量新增的程序中，只擴容了一次，HashMap 的 putAll 方法也是如此，整個新增程序只會擴容一次，大大縮短了批量新增的時間，提高了性能，

所以當碰到集合批量拷貝，批量新增場景，要提高新增性能的時候，就可以從目標集合初始化方面入手，

這里也提醒了我們，在容器初始化的時候，最好能給容器賦上初始值，這樣可以防止在 put 的程序中不斷的擴容，從而縮短時間，上章 HashSet 的原始碼演示了給 HashMap 賦初始值的公式為：取括號內兩者的最大值（期望的值/0.75+1，默認值 16），

使用示例：

在 List 和 Map 大量資料新增的時候，我們不要使用 for 回圈 + add/put 方法新增，這樣子會有很大的擴容成本，我們應該盡量使用 addAll 和 putAll 方法進行新增，下面以 ArrayList 為例寫了一個 demo 如下，演示了兩種方案的性能對比：

@Test
public void testBatchInsert(){
  // 準備拷貝資料
  ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();
  for(int i=0;i<3000000;i++){
    list.add(i);
  }

  // for 回圈 + add
  ArrayList<Integer> list2 = new ArrayList<>();
  long start1 = System.currentTimeMillis();
  for(int i=0;i<list.size();i++){
    list2.add(list.get(i));
  }
  log.info("單個 for 回圈新增 300 w 個，耗時{}",System.currentTimeMillis()-start1);

  // 批量新增
  ArrayList<Integer> list3 = new ArrayList<>();
  long start2 = System.currentTimeMillis();
  list3.addAll(list);
  log.info("批量新增 300 w 個，耗時{}",System.currentTimeMillis()-start2);
}

最后列印出來的日志為：

16:52:59.865 [main] INFO demo.one.ArrayListDemo - 單個 for 回圈新增 300 w 個，耗時1518

16:52:59.880 [main] INFO demo.one.ArrayListDemo - 批量新增 300 w 個，耗時8

可以看到，批量新增方法性能是單個新增方法性能的 189 倍，主要原因在于批量新增，只會擴容一次，大大縮短了運行時間，而單個新增，每次到達擴容閥值時，都會進行擴容，在整個程序中就會不斷的擴容，浪費了很多時間

2.2 批量洗掉

批量洗掉 ArrayList 提供了 removeAll 的方法，HashMap 沒有提供批量洗掉的方法，我們一起來看下 removeAll 的原始碼實作，是如何提高性能的：

// 批量洗掉，removeAll 方法底層呼叫的是 batchRemove 方法
// complement 引數默認是 false,false 的意思是陣列中不包含 c 中資料的節點往頭移動
// true 意思是陣列中包含 c 中資料的節點往頭移動，這個是根據你要洗掉資料和原陣列大小的比例來決定的
// 如果你要洗掉的資料很多，選擇 false 性能更好，當然 removeAll 方法默認就是 false，
private boolean batchRemove(Collection<?> c, boolean complement) {
  final Object[] elementData = this.elementData;
  // r 表示當前回圈的位置、w 位置之前都是不需要被洗掉的資料，w 位置之后都是需要被洗掉的資料
  int r = 0, w = 0;
  boolean modified = false;
    
  try {
    // 從 0 位置開始判斷，當前陣列中元素是不是要被洗掉的元素，不是的話移到陣列頭
    for (; r < size; r++)
      if (c.contains(elementData[r]) == complement)
        elementData[w++] = elementData[r];
  } finally {
    // r 和 size 不等，說明在 try 程序中發生了例外，在 r 處斷開
    // 把 r 位置之后的陣列移動到 w 位置之后(r 位置之后的陣列資料都是沒有判斷過的資料，這樣不會影響沒有判斷
    //  的資料，判斷過的資料可以被洗掉)
    if (r != size) {
      System.arraycopy(elementData, r,
                       elementData, w,
                       size - r);
      w += size - r;
    }
      
    // w != size 說明陣列中是有資料需要被洗掉的
    // 如果 w、size 相等，說明沒有資料需要被洗掉
    if (w != size) {
      // w 之后都是需要洗掉的資料，賦值為空，幫助 gc，
      for (int i = w; i < size; i++)
        elementData[i] = null;
      modCount += size - w;
      size = w;
      modified = true;
    }
  }
  return modified;
}

我們看到 ArrayList 在批量洗掉時，如果程式執行正常，只有一次 for 回圈，如果程式執行例外，才會加一次拷貝，而單個 remove 方法，每次執行的時候都會進行陣列的拷貝（當洗掉的元素正好是陣列最后一個元素時除外），當陣列越大，需要洗掉的資料越多時，批量洗掉的性能會越差，所以在 ArrayList 批量洗掉時，強烈建議使用 removeAll 方法進行洗掉，

3.執行緒安全問題

我們說集合都是非執行緒安全的，這里說的非執行緒安全指的是集合類作為共享變數，被多執行緒讀寫的時候，才是不安全的，如果要實作執行緒安全的集合，在類注釋中，JDK 統一推薦我們使用 Collections.synchronized* 類， Collections 幫我們實作了 List、Set、Map 對應的執行緒安全的方法，如下圖：
圖片描述
圖中實作了各種集合型別的執行緒安全的方法，我們以 synchronizedList 為例，從原始碼上來看下，Collections 是如何實作執行緒安全的：

// mutex 就是我們需要鎖住的物件
final Object mutex;  

// 這些synchronized~~都是Collections的靜態內部類
static class SynchronizedList<E> extends SynchronizedCollection<E> implements List<E> {
    
        private static final long serialVersionUID = -7754090372962971524L;
        // 通過組合的方式，傳入需要保證執行緒安全的類（List）
    	// Collection.synchronizedList（list）
        final List<E> list;
        SynchronizedList(List<E> list, Object mutex) {
            super(list, mutex);
            this.list = list;
        }
        
	   // 我們可以看到，List 的所有操作都使用了 synchronized 關鍵字，來進行加鎖
	   // synchronized 是一種悲觀鎖，能夠保證同一時刻，只能有一個執行緒能夠獲得鎖
        public E get(int index) {
            synchronized (mutex) {return list.get(index);}
        }
        public E set(int index, E element) {
            synchronized (mutex) {return list.set(index, element);}
        }
        public void add(int index, E element) {
            synchronized (mutex) {list.add(index, element);}
        }
…………
}

從原始碼中我們可以看到 Collections 是通過 synchronized 關鍵字給 List 操作陣列的方法加上鎖，來實作執行緒安全的，

4.兩點注意

在文章的最后，再提出使用集合時的兩點注意：

重寫equals & hashcode
當集合的元素是自定義類時，自定義類強制實作 equals 和 hashCode 方法，并且兩個都要實作，因為在集合中，除了 TreeMap 和 TreeSet 是通過比較器比較元素大小外，其余的集合類在判斷索引位置和相等時，都會使用到 equals 和 hashCode 方法，這個在之前的原始碼決議中，我們有說到，所以當集合的元素是自定義類時，我們強烈建議覆寫 equals 和 hashCode 方法，我們可以直接使用 IDEA 工具覆寫這兩個方法，非常方便
迭代洗掉
所有集合類，在 for 回圈進行洗掉時，如果直接使用集合類的 remove 方法進行洗掉，都會快速失敗，報 ConcurrentModificationException 的錯誤，所以在任意回圈洗掉的場景下，都建議使用迭代器進行洗掉；

轉載請註明出處，本文鏈接：https://www.uj5u.com/yidong/44694.html

標籤：其他

上一篇：Java中運用ArrayList和不用ArrayList的區別——存盤學生物件并遍歷

下一篇：能懂系列之 Map 詳解

【Java容器原始碼】集合應用總結：迭代器&批量操作&執行緒安全問題