数组是Java语言内置的类型，除此之外，Java有多种保存对象引用的方式。Java类库提供了一套相当完整的容器类，使用这些类的方法可以保存和操纵对象。下面分别进行讨论，在研究Java容器类之前，先了解一下Java数组的基本功能和
特性。
1. 数组的基本特性
数组与其它种类的容器(List/Set/Map)之间的区别在于效率、确定的类型和保存基本类型
数据的能力。数组是一种高效的存储和随机访问对象引用序列的方式，使用数组可以快速的访问数组中的元素。但是当创建一个数组对象(注意和对象数组的区别)后，数组的大小也就固定了，当数组空间不足的时候就再创建一个新的数组，把旧的数组中所有的引用
复制到新的数组中。
Java中的数组和容器都需要进行边界检查，如果越界就会得到一个RuntimeException异常。这点和C++中有所不同，C++中vector的操作符[]不会做边界检查，这在速度上会有一定的提高，Java的数组和容器会因为时刻存在的边界检查带来一些
性能上的开销。
Java中通用的容器类不会以具体的类型来处理对象，容器中的对象都是以Object类型处理的，这是Java中所有类的基类。另外，数组可以保存基本类型，而容器不能，它只能保存任意的Java对象。
一般情况下，考虑到效率与类型检查，应该尽可能考虑使用数组。如果要解决一般化的问题，数组可能会受到一些限制，这时可以使用Java提供的容器类。
2. 操作数组的实用功能
在java.util.Arrays类中，有许多static静态方法，提供了操作数组的一些基本功能：
equals()方法----用于比较两个数组是否相等，相等的条件是两个数组的元素个数必须相等，并且对应位置的元素也相等。
fill()方法----用以某个值填充整个数组，这个方法有点笨。
asList()方法----接受任意的数组为
参数，将其转变为List容器。
binarySearch()方法----用于在已经排序的数组中查找元素，需要注意的是必须是已经排序过的数组。当Arrays.binarySearch()找到了查找目标时，该方法将返回一个等于或大于0的值，否则将返回一个负值，表示在该数组目前的排序状态下此目标元素所应该插入的位置。负值的计算公式是“-x-1”。x指的是第一个大于查找对象的元素在数组中的位置，如果数组中所有的元素都小于要查找的对象，则x = a.size()。如果数组中包含重复的元素，则无法保证找到的是哪一个元素，如果需要对没有重复元素的数组排序，可以使用TreeSet或者LinkedHashSet。另外，如果使用Comparator排序了某个对象数组，在使用该方法时必须提供同样的Comparator类型的参数。需要注意的是，基本类型数组无法使用Comparator进行排序。
sort()方法----对数组进行升序排序。
在Java标准类库中，另有static方法System.arraycopy()用来复制数组，它针对所有类型做了重载。
3. 数组的排序
在Java1.0和1.1两个版本中，类库缺少基本的算法操作，包括排序的操作，Java2对此进行了改善。在进行排序的操作时，需要根据对象的实际类型执行比较操作，如果为每种不同的类型各自编写一个不同的排序方法，将会使得
代码很难被复用。一般的程序
设计目标应是“将保持不变的事物与会发改变的事物相分离”。在这里，不变的是通用的排序算法，变化的是各种对象相互比较的方式。
Java有两种方式来实现比较的功能，一种是实现java.lang.Comparable接口，该接口只有一个compareTo()方法，并以一个Object类为参数，如果当前对象小于参数则返回负值，如果相等返回零，如果当前对象大于参数则返回正值。另一种比较方法是采用策略(strategy)设计模式，将会发生变化的代码封装在它自己的类(策略对象)中，再将策略对象交给保持不变的代码中，后者使用此策略实现它的算法。因此，可以为不同的比较方式生成不同的对象，将它们用在同样的排序程序中。在此情况下，通过定义一个实现了Comparator接口的类而创建了一个策略，这个策略类有compare()和equals()两个方法，一般情况下实现compare()方法即可。
使用上述两种方法即可对任意基本类型的数组进行排序，也可以对任意的对象数组进行排序。再提示一遍，基本类型数组无法使用Comparator进行排序。
Java标准类库中的排序算法针对排序的类型进行了优化——针对基本类型设计了“快速排序”，针对对象设计的“稳定归并排序”。一般不用担心其性能。
Java容器分析--List和Set
容器类可以大大提高编程效率和编程能力，在Java2中，所有的容器都由SUN公司的Joshua Bloch进行了重新设计，丰富了容器类库的功能。
Java2容器类类库的用途是“保存对象”，它分为两类：
Collection----一组独立的元素，通常这些元素都服从某种规则。List必须保持元素特定的顺序，而Set不能有重复元素。
Map----一组成对的“键值对”对象，即其元素是成对的对象，最典型的应用就是数据字典，并且还有其它广泛的应用。另外，Map可以返回其所有键组成的Set和其所有值组成的Collection，或其键值对组成的Set，并且还可以像数组一样扩展多维Map，只要让Map中键值对的每个“值”是一个Map即可。
1.迭代器
迭代器是一种设计模式，它是一个对象，它可以遍历并选择序列中的对象，而开发人员不需要了解该序列的底层结构。迭代器通常被称为“轻量级”对象，因为创建它的代价小。
Java中的Iterator功能比较简单，并且只能单向移动：
(1) 使用方法iterator()要求容器返回一个Iterator。第一次调用Iterator的next()方法时，它返回序列的第一个元素。
(2) 使用next()获得序列中的下一个元素。
(3) 使用hasNext()检查序列中是否还有元素。
(4) 使用remove()将迭代器新返回的元素删除。
Iterator是Java迭代器最简单的实现，为List设计的ListIterator具有更多的功能，它可以从两个方向遍历List，也可以从List中插入和删除元素。
2.List的功能方法
List(interface): 次序是List最重要的特点；它确保维护元素特定的顺序。List为Collection添加了许多方法，使得能够向List中间插入与移除元素(只推荐LinkedList使用)。一个List可以生成ListIterator，使用它可以从两个方向遍历List，也可以从List中间插入和删除元素。
ArrayList: 由数组实现的List。它允许对元素进行快速随机访问，但是向List中间插入与移除元素的速度很慢。ListIterator只应该用来由后向前遍历ArrayList，而不是用来插入和删除元素，因为这比LinkedList开销要大很多。
LinkedList: 对顺序访问进行了优化，向List中间插入与删除得开销不大，随机访问则相对较慢(可用ArrayList代替)。它具有方法addFirst()、addLast()、getFirst()、getLast()、removeFirst()、removeLast()，这些方法(没有在任何接口或基类中定义过)使得LinkedList可以当作堆栈、队列和双向队列使用。
3.Set的功能方法
Set(interface): 存入Set的每个元素必须是唯一的，因为Set不保存重复元素。加入Set的Object必须定义equals()方法以确保对象的唯一性。Set与Collection有完全一样的接口。Set接口不保证维护元素的次序。
HashSet: 为快速查找而设计的Set。存入HashSet的对象必须定义hashCode()。
TreeSet: 保持次序的Set，底层为树结构。使用它可以从Set中提取有序的序列。
LinkedHashSet: 具有HashSet的查询速度，且内部使用链表维护元素的顺序(插入的次序)。于是在使用迭代器遍历Set时，结果会按元素插入的次序显示。
HashSet采用散列函数对元素进行排序，这是专门为快速查询而设计的；TreeSet采用红黑树的数据结构进行排序元素；LinkedHashSet内部使用散列以加快查询速度，同时使用链表维护元素的次序，使得看起来元素是以插入的顺序保存的。需要注意的是，生成自己的类时，Set需要维护元素的存储顺序，因此要实现Comparable接口并定义compareTo()方法。
Java容器分析--Map
标准的Java类库中包含了几种类型的Map，它们都拥有同样的基本接口Map，但是行为特性各不相同，主要表现在效率、键值对的保存、元素呈现次序、对象的保存周期和判定键是否等价的策略等方面。
1.Map的功能方法
Map(interface): 维护label和value的关联性，使得可以通过label查找value。
HashMap: Map基于散列表的实现，取代了Hashtable。插入和查询label/value的开销是固定的，并且可以通过构造器设置容量和负载因子，以调整容器的性能。
LinkedHashMap: 在HashMap的基础上做了一些改进，在迭代遍历它时，取得label/value的顺序是其插入的次序，或者是最近最少使用(LRU)的次序，速度上比HashMap要慢一点，但在迭代访问时速度会更快，主要原因是它使用了链表维护内部次序。
TreeMap: 查看label或label/value时，元素会被排序，其次序由Comparable或Comparator决定，因此查询所得到的结果是经过排序的。另外，它是唯一带有subMap()方法的Map具体类，即返回一个子树。它也是SortedMap接口的唯一实现，subMap()方法也是从该接口继承的。
WeakHashMap: Weak Key映射，允许释放映射所指向的对象。当映射之外没有引用指向某个label时，此label可以被垃圾收集器回收。
IdentityHashMap: 使用==代替equals()对label进行比较的散列映射。
2.hashCode()
当使用标准库中的类Integer作为HashMap的label时，程序能够正常运行，但是使用自己创建的类作为HashMap的label时，通常犯一个错误。
在HashMap中通过label查找value时，实际上是计算label对象地址的散列码来确定value的。一般情况下，我们是使用基类Object的方法hashCode()来生成散列码，它默认是使用对象的地址来计算的，因此由第一个对象new Apple(5)和第二个对象new Apple(5)生成的散列码是不同的，不能完成正确的查找。通常，我们可以编写自己的hashCode()方法来覆盖基类的原始方法，但与此同时，我们必须同时实现equals()方法来判断当前的label是否与表中存在的label相同。正确的equals()方法满足五个条件：
(1) 自反性。对于任意的x，x.equals(x)一定返回true。
(2) 对称性。对于任意的x和y，如果y.equals(x)返回true，则x.equals(y)也返回true。
(3) 传递性。对于任意的x、y、z，如果有x.equals(y)返回true，y.equals(z)返回true，则x.equals(z)一定返回true。
(4) 一致性。对于任意的x和y，如果对象中用于等价比较的信息没有改变，那么无论调用x.equals(y)多少次，返回的结果应该保持一致，要么一直是true，要么一直是false。
(5) 对任何不是null的x，x.equals(null)一定返回false。
equals()比较的是对象的地址，如果要使用自己的类作为HashMap的label，必须同时重载hashCode()和equals()方法。
使用散列的目的：想要使用一个对象来查找另一个对象。使用TreeSet或TreeMap也能实现此目的。另外，还可以自己实现一个Map，此时，必须提供Map.entrySet()方法来生成Map.Entry对象的Set。
使用散列的价值：速度，散列使得查询可以快速进行。散列将label保存载数组中方便快速查询，因为存储一组元素最快的数据结构是数组，用它来表示label的信息(后面有信息的描述)，而不是label本身。通过label对象计算得到一个数字，作为数组的下标，这个数字就是散列码(即前面所述的信息)。该散列码具体是通过定义在基类Object中，可能由程序员自定义的类覆盖的hashCode()方法，即散列函数生成。为了解决数组容量带来的限制，可以使不同的label生成相同的下标，保存在一个链表list中，每一个链表就是数组的一个元素。查询label时就可以通过对list中的信息进行查找，当散列函数比较好，数组的每个位置中的list长度较短，则可以快速查找到数组元素list中的某个位置，提高了整体速度。
散列表中的slot通常称为bucket，为了使散列分步均匀，bucket的值一般取质数。但事实证明，质数实际上并不是散列bucket的理想容量，近来Java散列实现都使用2的幂，具体如何验证以后再续。
3.HashMap的性能因子
容量(capacity): 散列表中bucket的数量。
初始化容量(initial capacity): 创建散列表时bucket的数量。可以在构造方法中指定HashMap和HashSet的初始化容量。
尺寸(size): 散列表中记录的数量。(数组的元素个数，非list中元素总和)
负载因子(load factor): 尺寸/容量。负载因子为0，表示空的散列表，0.5表示半满的散列表。轻负载的散列表具有冲突少，适宜插入与查询的特点，但是使用迭代器遍历会比较慢。较高的负载会减少所需空间大小。当负载达到指定值时，容器会自动成倍地增加容量，并将原有的对象重新分配，存入新的bucket中，这个过程称为“重散列”。
4.重写hashCode()的关键
(1) 对同一个对象调用hashCode()都应该生成同样的值。
(2) hashCode()方法不要依赖于对象中易变的数据，当数据发生变化时，hashCode()就会生成一个不同的散列码，即产生了一个不同的label。
(3) hashCode()不应依赖于具有唯一性的对象信息，例如对象地址。
(4) 散列码应该更关心速度，而不是唯一性，因为散列码不必是唯一的。
(5) 好的hashCode()应该产生分步均匀的散列码。在Effective Java(Addison-Wesley 2001)中，Joshua Bloch给hashCode()给出了设计指导，可以参考。
编写正确高效的hashCode()和equals()可以参考Apache的Jakarta Commons项目中的工具。
posted on 2007-08-14 19:56
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