基础:Java集合需要注意的 5 个问题

2年前 (2022) 程序员胖胖胖虎阿
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Java集合中的List、Set和Map作为Java集合食物链的顶级,可谓是各有千秋。本文将对于List、Set和Map之间的联系与区别进行介绍,以及这三者衍生出来的问题进行介绍(若无特地说明,jdk版本皆为1.8):

  • List、Set和Map的联系和区别是什么?
  • List、Set和Map的使用场景有哪些?
  • List与Set之间的怎么转换?
  • Set是怎么保证元素不重复?
  • 如何在遍历的同时删除ArrayList中的元素?

1. List、Set和Map的联系和区别

基础:Java集合需要注意的 5 个问题

List和Set是Collection的实现类,而Map与Collection是属于“同级“。

基础:Java集合需要注意的 5 个问题

List

基础:Java集合需要注意的 5 个问题

List的特性:
  • List允许插入重复元素
  • List允许插入多个null元素
  • List作为有序集合,保证了元素按照插入的顺序进行排列;
  • List提供ListIterator迭代器,可以提供双向访问的功能;
  • List常用的实现类有:可随意访问元素的ArrayList、应用于增删频繁的LinkedList、利用synchronized关键字实现线程安全的Vector等。

Set

基础:Java集合需要注意的 5 个问题

Set的特性:
  • Set不包含重复元素
  • Set只允许一个null元素的存在;
  • Set接口较为流行的实现类有:基于HashMap实现的HashSet、实现SortedSet接口且能更具compare()和compareTo()的定义进行排序的TreeSet等。

Map

基础:Java集合需要注意的 5 个问题

Map的特性:
  • 存储结构是键值对,一个键对应一个值;
  • 不允许包含重复的键,Map可能会持有相同的值对象,但键对象必须是唯一的;
  • 在Map中可以有多个null值,但最多只能有一个null键
  • Map不是Collection的子接口或实现类**,Map是跟Collection“同级”的接口**;
  • Map中比较流行的实现类是采用散列函数的HashMap、以及利用红黑树实现排序的TreeMap等。

2. List、Set和Map的使用场景

上文我们介绍完了List、Set和Map之间的联系和区别,接下来我们来看下这三者在使用场景上的差异。

List

如果经常使用索引来访问元素,或者是需要能够按照插入顺序进行存储,List会是不错的选择。
  • 需要使用索引来访问容器的元素,ArrayList可以提供更快速的访问(底层是数组实现);
  • 需要经常增删元素,LinkedList则会是最佳的选择(底层是链表实现);
  • 数据量不大,并且有线程安全(synchronized关键字)的要求,可以选择Vector
  • 有线程安全(ReentrantLock实现)和性能的要求,读多写少的情况,CopyOnWriteArrayList会是更好的选择。

Set

想要保证插入元素的唯一性,可以选择Set的实现类。
  • 需要快速查询元素,可以使用HashSet(采用散列函数);
  • 如果有排序元素的需要,可以使用TreeSet(采用红黑树的树结构排序元素);
  • 急需要加快查询速度,还需要按插入顺序来存储数据,LinkedHashSet是最好的选择(采用散列函数的同时,还使用链表维护元素的次序)。

Map

如果需要按键值对<key, value>的形式进行数据存储,那么Map是正确的选择。
  • 需要快速查询键值元素,可以使用HashMap(采用散列函数);
  • 如果需要将键进行排序,可以使用TreeMap(按照红黑树对键进行排序);
  • 在存储数据少,不允许有null值,又有线程安全(synchronized关键字)的要求,可以选择Hashtable(父类是Dictionary);
  • 如果需要线程安全(Node+CAS+Synchronized),且有数据量和性能要求,ConcurrentHashMap是最佳的选择。

3. List与Set之间的转换

因为List和Set都实现了Collection接口中的addAll(Collection<? extends E> c)方法,而且List和Set也提供了Collection<? extends E> c为参数的构造函数,所以可以采用构造函数的形式,完成List和Set的互相转换。
addAll(Collection<? extends E> c)方法

public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
        boolean modified = false;
        for (E e : c)
            if (add(e))
                modified = true;
        return modified;
    }
以Set接口的实现类HashSet为例,其提供了Collection<? extends E> c为参数的构造函数
public HashSet(Collection<? extends E> c) {
        map = new HashMap<>(Math.max((int) (c.size()/.75f) + 1, 16));
        addAll(c);
    }
以List接口的实现类ArrayList为例,也可以看到它提供了Collection<? extends E> c为参数的构造函数
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
        elementData = c.toArray();
        .......
    }
所以我们可以得到Set与List之间的转换方式
Set<Integer> set = new HashSet<>(list);
List<Integer> list = new ArrayList<>(set);


4. Set是怎么保证元素不重复?

我们以Set接口最流行的实现类HashSet为例,对Set保证元素不重复的原因进行介绍。
private transient HashMap<E,Object> map;

public boolean add(E e) {
    //如果return true,则表示不包含此元素
  return map.put(e, PRESENT)==null;
}
从上可知,HashSet是依赖HashMap得以实现,其中添加的元素作为HashMap的键来存储。所以接下来就是在介绍“HashMap是怎么保证不允许有相同的键存在”了。
public V put(K key, V value) {
    //倒数第二个参数为false,表示允许旧值替换
    //最后一个参数为true,表示HashMap不处于创建模式
  return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
在这里,我们可以看到在进行putVal()方法之前,会将key代入hash()方法中进行散列
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict
)
{
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        //如果哈希表为空,调用resize()方法创建一个哈希表,并用n记录哈希表的长度
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        //如果指定参数hash(key的hashCode()值)在表中没有对应的桶,即没有碰撞
        //(n-1)&hash计算key将被放置的槽位
        //(n-1)&hash本质上是hash%n,只是位运算更快
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            //如果没有碰撞,直接将键值对插入到map中即可
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else { //如果桶中已经存在了元素
            Node<K,V> e; K k;
            //比较桶中的第一个元素(数组中的结点)的hash值、key是否相等
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                //如果相等,则将第一个元素p用e来记录
                e = p;
            else if (p instanceof TreeNode) //当前桶中无该键值对,且桶的结构为红黑树,则按照红黑树结构的规则插入元素
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else { //如果桶中无该键值对,且桶的结构为链表,则按照链表结构将元素插入到尾部
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) { //遍历到链表尾部
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        //检查链表长度是否达到阈值,达到则将该槽位的节点组织形式,转化为红黑树
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    //链表节点中的元素<key, value>与put操作控制的元素<key, value>相同时,不做重复操作,直接跳出程序
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }
            // 如果put操作控制的元素的key和hashCode,与已经插入的元素相等时,执行以下操作
            if (e != null) { // existing mapping for key
                // oldValue记录e的value
                V oldValue = e.value;
                // onlyIfAbsent为false,或旧值为null时,允许替换旧值,否则无需替换
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                //访问后回调
                afterNodeAccess(e);
                //返回旧值
                return oldValue;
            }
        }
        // 更新结构化修改信息
        ++modCount;
        // 键值对数目如果超过阈值时,执行resize()方法
        if (++size > threshold)
            resize();
        // 插入后回调
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }
从以上源码中我们可以看出,将一个键值对<key, value>放入HashMap时,首先会根据key的hashCode()返回值和HashMap的长度决定该元素的存储位置,如果两个key的hash值相同,那么它们的存储位置相同。如果这两个key的equals比较返回true,那么新添加的元素newValue就会覆盖原来的元素oldValue,key不会被覆盖。
当HashSet中的add()方法里,map.put(e, PRESENT) == null为false时,HashSet添加元素失败。所以如果向HashSet中添加一个已经存在的元素,新添加的元素不会覆盖原来已有的元素。

5. 如何在遍历的同时删除ArrayList中的元素?

平时我们可能会觉得遍历ArrayList并删除其中元素是一件很简单的事情,但其实这个操作很容易出bug,接下来我们一起看下怎么样绕过这些坑。

从后向前遍历元素

我们先从前向后遍历的同时,进行删除元素:
public static void main(String[] args){
        List<Integer> list = new ArrayList<>();
        list.add(1);
        list.add(2);
        list.add(3);
        list.add(3);
        list.add(4);
        for(int i=0; i<list.size()-1; i++){
            if(list.get(i) == 3){
                list.remove(new Integer(3));
            }
        }
        System.out.println(list);
    }
运行结果为:
  
  
  
[1, 2, 3, 4]
造成这个现象的原因,在【Java集合】ArrayList的使用及原理中笔者稍有提及。在于ArrayList执行remove()操作时,将既定元素删除时还把该元素后的所有元素向前移动一位。这就导致了在遍历[1,2,3,3,4]时,删除前一个元素“3”后,将其后元素向前移动一位,因下标[2]已经被遍历过了,所以就遗漏了第二个“3”。
对于这个问题,我们只需要换个遍历的角度即可——从后往前遍历:
for(int i=list.size()-1; i>=0; i--){
    if(list.get(i) == 3){
      list.remove(new Integer(3));
    }
}
运行结果为:
  
  
  
[1, 2, 4]
从后往前遍历,在删除某一元素之后,也不用担心在遍历过程中会遗漏元素。

Iterator.remove()

除了上述遍历方法,还有一种遍历方式是我们经常使用的——for-each遍历:
for(Integer i : list){
    if(i == 3){
      list.remove(new Integer(3));
    }
}
运行结果:
Exception in thread "main" java.util.ConcurrentModificationException
  at java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(ArrayList.java:901)
  at java.util.ArrayList$Itr.next(ArrayList.java:851)
  ...
我们知道,for-each的遍历方式其实是Iterator、hashNext()、next()的复合简化版。当点开ArrayList.checkForComodification()方法可以看到:
private class Itr implements Iterator<E> {
    ......
    final void checkForComodification() {
        if (modCount != expectedModCount)
            throw new ConcurrentModificationException();
  }
}


这里的modCount是ArrayList的,而expectedModCount是Itr的,所以其实出错的地方在于,运行ArrayList.remove()方法时改变了modCount,这就打破了原本modCount == expectedModCount之间和平友好的关系,导致报出并发修改异常。
所以在使用迭代器迭代时(显示或for-each的隐式)不要使用ArrayList.remove(),改为使用Iterator.remove()即可:
Iterator<Integer> i = list.iterator();
while(i.hasNext()){
Integer integer = i.next();
    if(integer == 3){
    i.remove();
    }
}
参考资料:
List、Set、Map的区别
https://www.cnblogs.com/IvesHe/p/6108933.html
ArrayList循环遍历并删除元素的常见陷阱
https://www.cnblogs.com/huangjinyong/p/9455163.html
Java中Set集合是如何实现添加元素保证不重复的?
https://www.cnblogs.com/wupeixuan/p/8858816.html
最后
本文由作者「NYfor2020」授权发布,作者博客可点击阅读原文关注。 

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版权声明:程序员胖胖胖虎阿 发表于 2022年11月12日 下午1:24。
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