java集合框架的体系结构详细说明

最近在一本j2ee的书中看到了很不错的对集合框架的说明文章,筛选后发上来和大家共享,集合框架提供管理对象集合的接口和类.它包含接口,类,算法,以下是它的各个组件的说明.
collection接口
collection是最基本的集合接口，一个collection代表一组object，即collection的元素（elements）。一些collection允许相同的元素而另一些不行。一些能排序而另一些不行。java sdk不提供直接继承自collection的类，java sdk提供的类都是继承自collection的“子接口”如list和set。
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有相同的元素。后一个构造函数允许用户复制一个collection。
如何遍历collection中的每一个元素？不论collection的实际类型如何，它都支持一个iterator()的方法，该方法返回一个迭代子，使用该迭代子即可逐一访问collection中每一个元素。典型的用法如下：

iterator it = collection.iterator(); // 获得一个迭代子
while(it.hasnext()) {
object obj = it.next(); // 得到下一个元素
}

由collection接口派生的两个接口是list和set。
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。
实现list接口的常用类有linkedlist，arraylist，vector和stack。
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）。
注意linkedlist没有同步方法。如果多个线程同时访问一个list，则必须自己实现访问同步。一种解决方法是在创建list时构造一个同步的list：
list list = collections.synchronizedlist(new linkedlist(...));
arraylist类
arraylist实现了可变大小的数组。它允许所有元素，包括null。arraylist没有同步。
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。
和linkedlist一样，arraylist也是非同步的（unsynchronized）。
vector类
vector非常类似arraylist，但是vector是同步的。由vector创建的iterator，虽然和arraylist创建的iterator是同一接口，但是，因为vector是同步的，当一个iterator被创建而且正在被使用，另一个线程改变了vector的状态（例如，添加或删除了一些元素），这时调用iterator的方法时将抛出concurrentmodificationexception，因此必须捕获该异常。
stack 类
stack继承自vector，实现一个后进先出的堆栈。stack提供5个额外的方法使得vector得以被当作堆栈使用。基本的push和pop方法，还有peek方法得到栈顶的元素，empty方法测试堆栈是否为空，search方法检测一个元素在堆栈中的位置。stack刚创建后是空栈。
set接口
set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。
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。
hashtable类
hashtable继承map接口，实现一个key-value映射的哈希表。任何非空（non-null）的对象都可作为key或者value。
添加数据使用put(key, value)，取出数据使用get(key)，这两个基本操作的时间开销为常数。
hashtable通过initial capacity和load factor两个参数调整性能。通常缺省的load factor 0.75较好地实现了时间和空间的均衡。增大load factor可以节省空间但相应的查找时间将增大，这会影响像get和put这样的操作。
使用hashtable的简单示例如下，将1，2，3放到hashtable中，他们的key分别是”one”，”two”，”three”：

hashtable numbers = new hashtable();
numbers.put(“one”, new integer(1));
numbers.put(“two”, new integer(2));
numbers.put(“three”, new integer(3));

要取出一个数，比如2，用相应的key：
integer n = (integer)numbers.get(“two”);
system.out.println(“two = ” + n);
由于作为key的对象将通过计算其散列函数来确定与之对应的value的位置，因此任何作为key的对象都必须实现hashcode和equals方法。hashcode和equals方法继承自根类object，如果你用自定义的类当作key的话，要相当小心，按照散列函数的定义，如果两个对象相同，即obj1.equals(obj2)=true，则它们的hashcode必须相同，但如果两个对象不同，则它们的hashcode不一定不同，如果两个不同对象的hashcode相同，这种现象称为冲突，冲突会导致操作哈希表的时间开销增大，所以尽量定义好的hashcode()方法，能加快哈希表的操作。
如果相同的对象有不同的hashcode，对哈希表的操作会出现意想不到的结果（期待的get方法返回null），要避免这种问题，只需要牢记一条：要同时复写equals方法和hashcode方法，而不要只写其中一个。
hashtable是同步的。
hashmap类
hashmap和hashtable类似，不同之处在于hashmap是非同步的，并且允许null，即null value和null key。，但是将hashmap视为collection时（values()方法可返回collection），其迭代子操作时间开销和hashmap的容量成比例。因此，如果迭代操作的性能相当重要的话，不要将hashmap的初始化容量设得过高，或者load factor过低。
weakhashmap类
weakhashmap是一种改进的hashmap，它对key实行“弱引用”，如果一个key不再被外部所引用，那么该key可以被gc回收。
总结
如果涉及到堆栈，队列等操作，应该考虑用list，对于需要快速插入，删除元素，应该使用linkedlist，如果需要快速随机访问元素，应该使用arraylist。
如果程序在单线程环境中，或者访问仅仅在一个线程中进行，考虑非同步的类，其效率较高，如果多个线程可能同时操作一个类，应该使用同步的类。
要特别注意对哈希表的操作，作为key的对象要正确复写equals和hashcode方法。
尽量返回接口而非实际的类型，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。这就是针对抽象编程。