Java:集合类性能分析

1.Java 集合框架图

- 集合接口：6个接口（短虚线表示），表示不同集合类型，是集合框架的基础。

- 抽象类：5个抽象类（长虚线表示），对集合接口的部分实现。可扩展为自定义集合类。

- 实现类：8个实现类（实线表示），对接口的具体实现。

2.Java 容器类介绍

① Java容器类都可以自动地调整自己的尺寸。

② Collection 接口是一组允许重复的对象。

③ Set 接口继承 Collection，不允许重复，使用自己内部的一个排列机制。

④ List 接口继承 Collection，允许重复，以元素安插的次序来放置元素，不会重新排列。

⑤ Map 接口是一组成对的键－值对象，即所持有的是key-value pairs。Map中不能有重复的key。拥有自己的内部排列机制。

 

Java 2 简化集合框架图

 

3.Collection 接口

基本操作

- 增加元素add(Object obj); addAll(Collection c);

- 删除元素 remove(Object obj); removeAll(Collection c);

- 求交集 retainAll(Collection c);

Collection 是最基本的集合接口，所有实现Collection接口的类都必须提供两个标准的构造函数：无参数的构造函数用于创建一个空的Collection，有一个 Collection参数的构造函数用于创建一个新的Collection，这个新的Collection与传入的Collection有相同类型的元素。

import java.util.ArrayList; import java.util.Arrays; import java.util.Collection; import java.util.Collections; import java.util.List; public class AddingGroups {     public static void main(String[] args) {        Collection<Integer> collection = new ArrayList<Integer>(Arrays.asList(               1, 2, 3, 4, 5));        Integer[] moreInts={6,7,8,9,10};        collection.addAll(Arrays.asList(moreInts));        for (Integer i : collection)            System. out .print(i + "," );     } }

结果：

1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,

这里展示了Collection接口的2个用法，首先，Collection构造函数接受另一个Collection（List）作为参数，使其初始化。接着，调用addAll()方法添加元素，注意，该方法只接受另一个Collection作为参数。

此外，必须注意，Collection接口不提供随机访问元素的get()方法。因为Collection包括Set，而Set自己维护内部顺序。如果想检查Collection中的元素，那就必须使用迭代器。

4.List 接口

4.1 List 接口

　　List是有序的Collection，使用此接口能够精确的控制每个元素插入的位置。用户能够使用索引（元素在List中的位置，类似于数组下标）来访问List中的元素，这类似于Java的数组。

和下面要提到的Set不同，List允许有相同的元素。

除了具有Collection接口必备的iterator()方法外，List还提供一个listIterator()方法，返回一个 ListIterator接口，和标准的Iterator接口相比，ListIterator多了一些add()之类的方法，允许添加，删除，设定元素， 还能向前或向后遍历。

 

4.2 LinkedList 类

LinkedList 实现了List接口，允许null元素。此外LinkedList提供额外的get，remove，insert方法在 LinkedList的首部或尾部。这些操作使LinkedList可被用作堆栈（stack），队列（queue）或双向队列（deque）。此实现不是同步的。

 

4.3 ArrayList 类

ArrayList 实现了可变大小的数组。它允许所有元素，包括null。

size ，isEmpty，get，set方法运行时间为常数。但是add方法开销为分摊的常数，添加n个元素需要O(n)的时间。其他的方法运行时间为线性。

每个ArrayList实例都有一个容量（Capacity），即用于存储元素的数组的大小。这个容量可随着不断添加新元素而自动增加，但是增长算法并没有定义。当需要插入大量元素时，在插入前可以调用ensureCapacity方法来增加ArrayList的容量以提高插入效率。此实现不是同步的。

 

5.Set 接口

5.1 Set 接口

Set 具有和Collection完全一样的接口，没有任何额外的功能。它是一种不包含重复的元素的Collection，即任意的两个元素e1和e2都有e1.equals(e2)=false，Set最多有一个null元素。

很明显，Set的构造函数有一个约束条件，传入的Collection参数不能包含重复的元素。

请注意：必须小心操作可变对象（Mutable Object）。如果一个Set中的可变元素改变了自身状态导致Object.equals(Object)=true将导致一些问题。

 

5.2 HashSet

此类实现Set 接口，由哈希表（实际上是一个 HashMap 实例）支持。它不保证 set 的迭代顺序；特别是它不保证该顺序恒久不变。此类允许使用 null 元素。此类为基本操作提供了稳定性能，此实现不是同步的。

 

5.3 LinkedHashSet

具有可预知迭代顺序的Set 接口的哈希表和链接列表实现。此实现与HashSet的不同之处在于，它维护着一个运行于所有条目的双重链接列表。此链接列表定义了迭代顺序，即按照将元素插入到set中的顺序（插入顺序）进行迭代。注意，插入顺序不受在set中重新插入的元素影响。此实现不是同步的。

 

5.4 TreeSet

基于TreeMap的NavigableSet实现。使用元素的自然顺序对元素进行排序，或者根据创建set时提供的 Comparator 进行排序，具体取决于使用的构造方法。此实现为基本操作（add、remove 和 contains）提供受保证的 log(n) 时间开销。此实现不是同步的。

6.Map 接口

请注意，Map没有继承Collection接口，Map提供key到value的映射。一个Map中不能包含相同的key，每个key只能映射一个 value。Map接口提供3种集合的视图，Map的内容可以被当作一组key集合，一组value集合，或者一组key-value映射。

 

6.1 WeakHashMap

以弱键实现的基于哈希表的Map。在WeakHashMap中，当某个键不再正常使用时，将自动移除其条目。更精确地说，对于一个给定的键，其映射的存在并不阻止垃圾回收器对该键的丢弃，这就使该键成为可终止的，被终止，然后被回收。丢弃某个键时，其条目从映射中有效地移除，因此，该类的行为与其他的Map实现有所不同。此实现不是同步的。

 

6.2 TreeMap

该映射根据其键的自然顺序进行排序，或者根据创建映射时提供的Comparator进行排序，具体取决于使用的构造方法。此实现不是同步的。

 

6.3 HashMap

基于哈希表的Map接口的实现。此实现提供所有可选的映射操作，并允许使用 null 值和 null 键。（除了非同步和允许使用null之外，HashMap 类与 Hashtable 大致相同。）此类不保证映射的顺序，特别是它不保证该顺序恒久不变。此实现不是同步的。

 

6.4 SortedMap

进一步提供关于键的总体排序的Map。该映射是根据其键的自然顺序进行排序的，或者根据通常在创建有序映射时提供的Comparator进行排序。对有序映射的collection 视图（由 entrySet、keySet 和 values 方法返回）进行迭代时，此顺序就会反映出来。要采用此排序方式，还需要提供一些其他操作（此接口是 SortedSet 的对应映射）。

7. 集合类性能效率总结

注意，这里展示的类都是非线程安全的。如果需要考虑线程安全，应该使用ConcurrentMap,CopyOnWriteArrayList,CopyOnWriteArraySet等。

接口	实现类	保持插入顺序	可重复	排序	使用说明
List	ArrayList	Y	Y	N	长于随机访问元素；但插入、删除元素较慢（数组特性）。
	LinkedList	Y	Y	N	插入、删除元素较快，但随即访问较慢（链表特性）。
Set	HashSet	N	N	N	使用散列，最快的获取元素方法。
	TreeSet	N	N	Y	将元素存储在红-黑树数据结构中。默认为升序。
	LinkedHashSet	Y	N	N	使用散列，同时使用链表来维护元素的插入顺序。
Map	HashMap	N	N	N	使用散列，提供最快的查找技术。
	TreeMap	N	N	Y	默认按照比较结果的升序保存键。
	LinkedHashMap	Y	N	N	按照插入顺序保存键，同时使用散列提高查找速度。

总结

①  如果涉及到堆栈，队列等操作，应该考虑用List。如果要进行大量的随机访问，应使用ArrayList；如果经常进行插入与删除操作，用使用LinkedList。

② HashMap 设计用来快速访问；而TreeMap保持“键”始终处于排序状态，所以没有HashMap快。LinkedHashMap保持元素插入的顺序，但是也通过散列提供了快速访问能力。

③ Set 不接受重复元素。HashSet提供最快的查询速度，而TreeSet保持元素处于排序状态。LinkedHashSet以插入顺序保存元素。

④  对哈希表的操作，作为key的对象要正确重写equals和hashCode方法。

⑤  尽量返回接口而非实际的类型（针对抽象编程），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。

⑥  程序中不应该使用过时的Vector\Hashtable\Stack。