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Java容器汇总【红黑树需要再次学习】

IP云
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1，概述

2，Collection

2.1，Set【接触比较少】

2.1.1 TreeSet

底层由TreeMap实现

基于红黑树实现，支持有序性操作，例如根据一个范围查找元素的操作。但是查找效率不如 HashSet，HashSet 查找的时间复杂度为 O(1)，TreeSet 则为 O(logN)。

2.1.2 HashSet【完成】

基于哈希表实现，支持快速查找，但不支持有序性操作。并且失去了元素的插入顺序信息【由HashMap的数据存储行为有关系】，也就是说使用 Iterator 遍历 HashSet 得到的结果是不确定的。

数据实现由hashmap实现， Key就是输入的变量。value是一个统一的Object数据

2.1.3 LinkedHashSet【完成】

具有 HashSet 的查找效率，且内部使用双向链表维护元素的插入顺序。【本质是不断的通过hash值计算来进行下一个数值的查找】

2.2，List

  • ArrayList：基于动态数组实现，支持随机访问【查找复杂度O(1)，本质是一个数组】。

  • Vector：和 ArrayList 类似，但它是线程安全的【区别sychronized修饰，做了同步处理】。

  • LinkedList：基于双向链表实现，只能顺序访问，但是可以快速地在链表中间插入和删除元素。【普通for遍历每次都要重头开始，Iterator方法是有一个光标指向这里】不仅如此，LinkedList 还可以用作栈【LIFO】、队列和【FIFO，可以用来做生产者消费者设计模式】双向队列【集合前两种的功能】。https://www.cnblogs.com/ysocean/p/8657850.html

2.3，Queue【完成】

LinkedList：可以用它来实现双向队列【实现 Deque 接口】。

PriorityQueue：基于堆结构---minHeap

一个基于优先级的无界优先级队列。优先级队列的元素按照其自然顺序进行排序，或者根据构造队列时提供的 Comparator 进行排序，具体取决于所使用的构造方法。该队列不允许使用 null 元素也不允许插入不可比较的对象(没有实现Comparable接口的对象)。

Java中PriorityQueue通过二叉小顶堆实现，可以用一棵完全二叉树表示（任意一个非叶子节点的权值，都不大于其左右子节点的权值） 

public class PriorityQueue<E> extends AbstractQueue<E> implements java.io.Serializable {

1>PriorityQueue是一种无界的，线程不安全的队列
2>PriorityQueue是一种通过数组实现的，并拥有优先级的队列
3>PriorityQueue存储的元素要求必须是可比较的对象， 如果不是就必须明确指定比较器【可以插入相同数据】

需要理解堆这个数据结构就很好办了

leftNo = parentNo*2+1

rightNo = parentNo*2+2

parentNo = (nodeNo-1)/2

3，Map

3.1，TreeMap

基于红黑树实现。

3.2，HashMap【非线程安全】【完成】

基于哈希表实现【这个详见Java-HashMap实现原理】

3.3，HashTable【遗留类，直接跳过它使用cocurrentHashMap】【完成】

和 HashMap 类似，但它是线程安全的，这意味着同一时刻多个线程可以同时写入 HashTable 并且不会导致数据不一致。

它是遗留类，不应该去使用它。现在可以使用 ConcurrentHashMap 来支持线程安全，并且 ConcurrentHashMap 的效率会更高，因为 ConcurrentHashMap 引入了分段锁。

类似于：HashTable中的锁类似于MySQL中的表级锁 Segments全部锁定 、ConcurrentHashMap 类似于MySQL中的行级锁 单个Segment锁定

3.4，ConcurrentHashMap【分段锁 Segments并发高效、线程安全 】

HashTable容器在竞争激烈的并发环境下表现出效率低下的原因，是因为所有访问HashTable的线程都必须竞争同一把锁，那假如容器里有多把锁，每一把锁用于锁容器其中一部分数据，那么当多线程访问容器里不同数据段的数据时，线程间就不会存在锁竞争，从而可以有效的提高并发访问效率， 这就是ConcurrentHashMap所使用的锁分段技术，首先将数据分成一段一段的存储 ， 然后给每一段数据配一把锁，当一个线程占用锁访问其中一个段数据的时候，其他段的数据也能被其他线程访问 。有 些方法需要跨段，比如size()和containsValue()，它们可能需要锁定整个表而而不仅仅是某个段，这需要按顺序锁定所有段，操作完毕后，又按顺序释放所有段的锁。这里“按顺序”是很重要的，否则极有可能出现死锁 ，在ConcurrentHashMap内部，段数组是final的，并且其成员变量实际上也是final的，但是，仅仅是将数组声明为final的并不保证数组成员也是final的，这需要实现上的保证。这可以确保不会出现死锁，因为获得锁的顺序是固定的。

ConcurrentHashMap是由Segment数组结构和HashEntry数组结构组成 。Segment是一种 ReentrantLock ，在ConcurrentHashMap里扮演锁的角色，HashEntry则用于存储键值对数据。一个ConcurrentHashMap 里包含一个Segment数组 ， Segment的结构和HashMap类似，是一种数组和链表结构 ， 一个Segment里包含一个HashEntry数组，每个HashEntry是一个链表结构的元素， 每个Segment守护者一个HashEntry数组里的元素,当对HashEntry数组的数据进行修改时，必须首先获得它对应的Segment锁。

特色之处：

①可以看到ConcurrentHashMap会首先使用Wang/Jenkins hash的变种算法对元素的hashCode进行一次再哈希

② (hash >>> segmentShift) & segmentMask//向右无符号移动28位，意思是让高4位参与到hash运算中，

③ Segment小锁锁定数据各个数据默认16个，读

④执行 size 操作时，先不加锁两次结果相同，就直接使用使用这个结果；否则对每一个Segment加锁统计各个count和；

JDK 1.7 使用分段锁机制来实现并发更新操作，核心类为 Segment，它继承自重入锁 ReentrantLock，并发度与 Segment 数量相等。

JDK 1.8 使用了 CAS 操作来支持更高的并发度，在 CAS 操作失败时使用内置锁 synchronized。

并且 JDK 1.8 的实现也在链表过长时会转换为红黑树。

3.4，LinkedHashMap【继承HashMap，添加前后索引】【完成】

使用双向链表来维护元素的顺序，顺序为插入顺序或者最近最少使用（LRU）顺序。 https://www.jianshu.com/p/8f4f58b4b8ab

然后把accessOrder【LinkedHashMap特有的】设置为false，这就跟存储的顺序有关了，LinkedHashMap存储数据是有序的，而且分为两种：插入顺序【head-tail】和访问顺序【0-（size-1）遍历顺序】。

accessOrder设置为false，表示不是访问顺序而是插入顺序存储的，这也是默认值，表示LinkedHashMap中存储的顺序是按照调用put方法插入的顺序进行排序的

header是一个Entry类型的双向链表表头，本身不存储数据。

插入尾部、清楚头部

3.4.1 LinkedHashMap实现的LruCache【常用的数据缓存项】Android图片就是用的这个

Least Recently Used 

package com.cnblogs.mufasa.Map;

import java.util.LinkedHashMap;

import java.util.Map;

public class LRUCache<K, V> extends LinkedHashMap<K, V> {

    private int maxEntries;//设置的cache数据大小

    public LRUCache(int maxEntries) {

        super(16, 0.75f, true);

        this.maxEntries = maxEntries;

    }

    @Override

    protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K, V> eldest) {

        //插入新数据的时候判断是否超额

        //是，清楚head-next数据，插入新数据在head-pre

        //否，插入head-pre就行

        return size() > maxEntries;

    }

}
package com.cnblogs.mufasa.Map;

import org.w3c.dom.Node;

import java.util.Comparator;

import java.util.HashMap;

import java.util.Map;

import java.util.TreeMap;

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

public class Client {

    public static void main(String[] args) {

//        HashMap<Integer,String> hm=new HashMap<>();

//        ConcurrentHashMap<Integer,String> chm=new ConcurrentHashMap<>();

        //TreeMap

//        TreeMap<Integer,String> map =new TreeMap<>();

//        map.put(3, "val");

//        map.put(2, "val");

//        map.put(1, "val");

//        map.put(5, "val");

//        map.put(4, "val");

//        System.out.println(map);

//        Integer integer=new Integer(1);

//        System.out.println(Integer.parseInt("111",2));

//        System.out.println(8^111);

//        String a1="hello";

//        String a2=new String("hello");

//        System.out.println(a1==a2);

        //

        LRUCache<String,Object> cache = new LRUCache<>(3);

        cache.put("a","abstract");

        cache.put("b","basic");

        cache.put("c","call");

        cache.put("e","hello");

        cache.put("d",null);

        cache.put(null,"null");

        cache.get("e");

        cache.put("f","滴滴滴");

        System.out.println(cache); // 输出为：{c=call, a=abstract, d=滴滴滴}

    }

}

/*

{null=null, e=hello, f=滴滴滴}

 */

3.5，WeakHashMap

3.5.1 存储结构

WeakHashMap 的 Entry 继承自 WeakReference，被 WeakReference 关联的对象在下一次垃圾回收时会被回收。

WeakHashMap 主要用来实现缓存，通过使用 WeakHashMap 来引用缓存对象，由 JVM 对这部分缓存进行回收。 

private static class Entry<K,V> extends WeakReference<Object> implements Map.Entry<K,V>

3.5.2 ConcurrentCache

Tomcat 中的 ConcurrentCache 使用了 WeakHashMap 来实现缓存功能。

ConcurrentCache 采取的是分代缓存：

  • 经常使用的对象放入 eden 中，eden 使用 ConcurrentHashMap 实现，不用担心会被回收（伊甸园）；
  • 不常用的对象放入 longterm，longterm 使用 WeakHashMap 实现，这些老对象会被垃圾收集器回收。
  • 当调用 get() 方法时，会先从 eden 区获取，如果没有找到的话再到 longterm 获取，当从 longterm 获取到就把对象放入 eden 中，从而保证经常被访问的节点不容易被回收。
  • 当调用 put() 方法时，如果 eden 的大小超过了 size，那么就将 eden 中的所有对象都放入 longterm 中，利用虚拟机回收掉一部分不经常使用的对象。

核心源码： 

public final class ConcurrentCache<K, V> {

    private final int size;

    private final Map<K, V> eden;

    private final Map<K, V> longterm;

    public ConcurrentCache(int size) {

        this.size = size;

        this.eden = new ConcurrentHashMap<>(size);

        this.longterm = new WeakHashMap<>(size);

    }

    public V get(K k) {

        V v = this.eden.get(k);

        if (v == null) {

            v = this.longterm.get(k);

            if (v != null)

                this.eden.put(k, v);

        }

        return v;

    }

    public void put(K k, V v) {

        if (this.eden.size() >= size) {

            this.longterm.putAll(this.eden);

            this.eden.clear();

        }

        this.eden.put(k, v);

    }

}

4，容器中的设计模式

4.1 适配器设计模式

java.util.Arrays#asList() 可以把数组类型转换为 List 类型。

A-适配器-B 

@SafeVarargs

public static <T> List<T> asList(T... a)

4.2 迭代器模式

让用户通过特定的接口访问容器的数据，不需要了解容器内部的数据结构 

        LinkedList<String> list = new LinkedList<>();

        list.add("a");

        list.add("b");

//        for (String item : list) {

//            System.out.println(item);

//        }

        Iterator<String> iterator=list.iterator();

        Iterator<String> iterator2=list.descendingIterator();

        while (iterator.hasNext()){

            System.out.println(iterator.next());

        }

4.3 引申-生产者消费者

Queue队列可以直接当做这个模式的数据结构

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