《码出高效》系列笔记（四）：数据结构与集合的框架篇

良好的编码风格和完善统一的规约是最高效的方式。

前言

本篇汲取了本书中较为精华的知识要点和实践经验加上读者整理，作为本系列里的第四篇章第一节：数据结构与集合的框架篇。

本系列目录：

数据结构

Java 中的集合不同于数学概念，可以是有序的，也可以是重复的。而集合作为数据结构的载体，同时也作为程序的主要构成，是所有编程语言的基础。

数据结构的分类：

线性结构：0 至 1 个直接前继和直接后继。当线性非空时，有唯一的首元素和尾元素，除两者外，所有的元素都有唯一的直接前继和直接后继。该类结构一般有：顺序表、链表、栈、队列等，其中栈、队列是访问受限的结构。
树结构：0 至 1 个直接前继和 0 至 n 个直接后继（n 大于等于 2）。具有层次、稳定的特性，类似大自然的树木。
图结构：0 至 n 个直接前继和直接后继（n 大于等于 2）。该类结构一般有：简单图、多重图、有向图、无向图等。
哈希结构：没有直接前继和直接后继。该结构是通过某种特定的哈希函数将索引与存储的值关联起来，是一种查找效率非常非常高的数据结构。

复杂度：

数据结构的复杂度分为时间复杂度和空间复杂度两种，因为目前存储设备的技术进步，时间复杂度成为了重点考量的因素。

时间复杂度是一种衡量计算性能的指标。通常用大写的 O 和一个函数描述，比如 O(n³)表示程序执行时间随输入规模呈现三次方倍的增长，这是比较差的算法实现。

从好到坏的常用算法复杂度排序如下：常数级 O(1)、对数级 O(logn)、线性级 O(n)、线性对数级 O(nlogn)、平方级 O(n²)、立方级 O(n³)、指数级 O(2ⁿ)。

集合框架

Java 中的集合是用于存储对象的工具类容器，实现了我们上述所说的这些的数据结构，提供了一系列的公开方法用于增删改查以及遍历数据，让宁 ⑧ 用自己写轮子辣！

这里本来应该有一张 Java 结合框架图的，不过都应该烂熟于心了 ⑧。除了 Map 没有直接继承 collection 接口，Queue、List、Set 均是直接继承 collection 接口。

List 集合

List 集合是线性数据结构的主要实现，所以集合的元素通常明确上一个和下一个元素，也存在第一个和最后一个元素。

ArrayList 是容量可变的非线程安全集合。内部使用数组进行存储，扩容时会创建更大的数组空间，然后再把原来的数据复制到新的数组中。该集合支持对元素的随机访问，插入与删除速度通常很慢，因为涉及到移动元素（数组）。

LinkedList 的本质是双向链表。与 ArrayList 相比，插入和删除的速度更快，但是随机访问的速度很慢。LinkedList 包含了 3 个重要的成员：size、first、last。size 是双向链表中节点的个数。first 和 last 分别指向第一个和最后一个节点的应用。

Queue 集合

先进先出，一种特殊的线性表，只允许表在一端进行获取操作，在另一端进行插入操作。当不存在元素时，则为空队列。自从 BlockingQueue（阻塞队列）问世以来，队列的地位得到极大地提升，在各种高并发编程的场景，经常被作为 Buffer（数据缓冲区）使用。

Map 集合

Map 集合是以 Key-Value 键值对作为存储元素实现的哈希结构，Key 安某种哈希函数计算后是唯一的，Value 是可以重复的。

可以使用 keySet() 方法查看所有的 Key；
使用 values() 方法查看所有的 Value；
使用 entrySet() 方法查看所有的键值对。

Hashtable 因为性能瓶颈原因已被淘汰，如今广泛使用 HashMap，但是是线程不安全的，底层也就是数组 + 链表。ConcurrentHashMap 是线程是安全的，在 JDK8 中进行了锁的大幅度优化，体现了 8 错的性能。

在多线程并发的场景中，优先推荐使用 ConcurrentHashMap，而不是 HashMap。

TreeMap 是 Key 有序的 Map 类集合，树结构保证有序，Key ⑧ 能为 null。

LinkedHashMap 底层是链表结构，较与 HashMap 可以保元素的有序。

Set 集合

Set 是不允许出现重复元素的集合类型。Set 体系最常用的是 HashSet、TreeSet 和 LinkedHashSet 三个集合类。

HashSet 与 HashMap 较为类似，只是 Value 固定为一个静态对象，使用 Key 保证集合元素的唯一性，但它不保证集合元素的顺序。

TreeSet 也是如此，与 TreeMap 类似，同样底层是树结构，保证有序，元素不能为 null。

LinkedHashSet 继承自 HashSet，具有 HashSet 的优点，使用链表维护了元素插入顺序。

集合初始化

集合初始化通常进行分配容量、设置特定参数等相关工作。

该书中特别强调例如 ArrayList 在初始化的过程中，需要显式地设定集合容量大小。

ArrayList 部分源码解析

本书分析的底层源码基本来源于较新的 JDK11，而在我本地的源码是 JDK8，下面分析的是本地的 JDK8 源码。

/**
 * Increases the capacity to ensure that it can hold at least the
 * number of elements specified by the minimum capacity argument.
 *
 * @param minCapacity the desired minimum capacity
 */
private void grow(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
  	// ①
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
  	// ②
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
  if (minCapacity < 0) // overflow
    throw new OutOfMemoryError();
  return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
    Integer.MAX_VALUE :
  	MAX_ARRAY_SIZE;
}

上述代码是 JDK8 中的源码，扩容在 grow() 方法里完成。而在 JDK11 中，扩容的具体实现则是由 newCapacity() 方法实现。

首先我们明确几个概念：

oldCapacity：当前容量，由于要扩容了所以是老的容量数值；
newCapacity：扩容后的容量大小；
minCapacity：扩容的必须满足最小的要求！源码是 size + 1，也就是当前的容量 + 1。

什么时候扩容？
- JDK8 的源码部分没贴上来，调用的方法太多了占内容空间。如果原始容量为 10，当第 11 个元素即将调用 add() 方法时会启动 grow() 方法启动扩容机制，JDK11 同理。

默认的容量大小是什么？

如果没有显式的初始化容量大小，那么在最开始，容量大小其实是 0 而不是默认的 10 哦。当显式的设定了容量大小，那么容量大小会赋设定的值。只有当调用 add() 方法时才会启动扩容，变成默认 DEFAULT_CAPACITY = 10，大小为 10。所以不显式的初始化容量大小，调用 add() 方法的话时必定会扩容一次的。

List<String> list = new ArrayList<>();
Class<?> listClazz = list.getClass();
Field elementData = listClazz.getDeclaredField("elementData");
elementData.setAccessible(true);
Object[] objects1 = (Object[])elementData.get(list);
System.out.println("不显式的初始化，容量大小为：" + objects1.length);

上述代码输出 不显式的初始化，容量大小为：0

// add一个元素
list.add("回家做80个俯卧撑！");
Object[] objects2 = (Object[])elementData.get(list);
System.out.println("添加一个元素，现在容量大小为：" + objects2.length);

接着添加一个元素，运行输出 添加一个元素，现在容量大小为：10

List<String> list2 = new ArrayList<>(666);
Class<?> newListClazz = list2.getClass();
Field elementData2 = newListClazz.getDeclaredField("elementData");
elementData2.setAccessible(true);
Object[] objects3 = (Object[])elementData.get(list2);
System.out.println("显式初始化容量大小为666，容量大小为：" + objects3.length);

显式初始化容量大小为 666，运行输出 显式初始化容量大小为666，容量大小为：666

如何扩容？
- JDK8 之前的扩容算法与 JDK8 有所不同，源码中上述方法里，int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); 扩容后的容量大小算法是通过右移一位再加上老容量大小得到。
  - 位移运算：JDK8 中采用了（有符号）位运算符计算，位移的过程中采用补码的形式。假设原始容量为 13，二进制数是 1101，其中反码也是 1101，整数的反码、补码都是本身。反码右移一位这是 110，得到十进制为 6，所以新的容量大小为 6 + 13 = 19。JDK7 之前的公式则是 oldCapacity * 1.5 + 1；
- ①：如果新的容量大小比最小要求要小的话，则按照最小要求设定（size + 1）；
- ②：如果新的容量大小比 MAX_ARRAY_SIZE 还大的话，其中该变量的大小为 Integer.MAX_VALUE - 8 也就是 2³¹-1 再减 8。在走 hugeCapacity(int minCapacity) 方法判断最后设定一个容量大小或者 OOM 了。

之所以本手册中明确强调需要显式的初始化容量大小，是因为假设有 1000 个元素需要放置在 ArrayList 中，则需要被动扩容 13 次才可以完成，在这过程中数组不断地复制原有的数据再到新的数组中，若能够提前给定一个合适的容量大小，就是性能的提升，也避免了一些 OOM 的风险。OS：这过程更像是调优，实际开发中很难对每个 ArrayList 清晰的定义和认识吧，属于经验学的范畴。

嗯？！感觉关于 ArrayList 的可以单独出一篇啊。

HashMap 部分源码解析

本书分析的底层源码基本来源于较新的 JDK11，而在我本地的源码是 JDK8，下面分析的是本地的 JDK8 源码。

/**
 * The default initial capacity - MUST be a power of two.
 */
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16

/**
 * The maximum capacity, used if a higher value is implicitly specified
 * by either of the constructors with arguments.
 * MUST be a power of two <= 1<<30.
 */
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

/**
 * The load factor used when none specified in constructor.
 */
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

/* ---------------- Fields -------------- */
/**
  * The table, initialized on first use, and resized as
  * necessary. When allocated, length is always a power of two.
  * (We also tolerate length zero in some operations to allow
  * bootstrapping mechanics that are currently not needed.)
  */
transient Node<K,V>[] table;

DEFAULT_INITIAL_CAPACITY：默认初始容量 1 << 4，aka 16，必须是 2ⁿ幂，注解里很直白的写着，所以你即使在初始化的过程这样写 new HashMap<>(3);，实际上也会被改成 2²，比 3 大且最近的一个 2 的幂次方；
MAXIMUM_CAPACITY：最大容量大小，默认 1 << 30，相当于 2³⁰；
DEFAULT_LOAD_FACTOR：负载因子，也叫填充比例，默认 0.75，可在初始化过程中自定一个 float 类型的数值。
table：

HashMap 和 ArrayList 一样，容量不是在 new 的时候分配，而是在第一次 put 的时候。

put、putVal()、reszie() 方法有些晦涩复杂就不贴上来了。很多细节，👴 属实有点看不明白。这里有个概念 threshold 作为临界值就是 loadfactory（负载因子）和 capacity（容量）的乘积。也就是说默认情况下，当 HashMap 中元素个数达到了容量的 3/4 的时候就会进行自动扩容。

为什么负载因子是 0.75？
- JDK 源码里这样写，一定有它的道理，这里不太想去探究。查阅网上的资料，和哈希冲突有很大关系，以及一些数学计算、log2、对数之类的有一定关系，反正一般不要去自己去设定就 vans 了。
什么时候扩容？
- 和 ArrayList 一样，到了某个临界值才会被动扩容，而且扩容的过程中会重新计算所有元素的哈希值。扩容的条件是达到了 threshold 这个参数，而它是 capacity 和 loadfactory 的乘积，所以我们可以通过代码来验证一下：
- ```
Map<String, String> map = new HashMap<>(0);
Class<?> mapClazz = map.getClass();
Method capacity = mapClazz.getDeclaredMethod("capacity");
capacity.setAccessible(true);
System.out.println("容量大小为：" + capacity.invoke(map));
```
- 输出 容量大小为：1，因为是 2⁰
- ```
map.put("MatthewHan", "developer");
System.out.println("添加一个元素后，容量大小为：" + capacity.invoke(map));
```
- put 一个元素之后，查看 capacity 大的大小，输出 添加一个元素后，容量大小为：2。为什么不是 1 呢，因为 capacity 和 loadfactory 的乘积是 0.75 * 1 < 1，满足扩容的条件。所以从 2⁰扩容成了 2¹。当然你这样写 new HashMap<>(0, 1f); 输出的就是 1 了。
以前看到过的一道美团笔试题：如果一个 HashMap 要装载 100 个元素，那么初始化容量大小是设定最佳？
- 最佳的大小，一定是满足不会多次扩容调用 resize() 方法的。所以就是一定要大于 100 ÷ 0.75 = 133.333...，比该数大且最接近的 2ⁿ的是 2⁸ = 256。而 2⁷ = 128 看起来比 100 大，但是需要多扩容一次，全部重新计算哈希算法，属实 ⑧ 行。上面写了目前对时间性能的要求远远大于空间，用空间换时间。
- 或者可以这样 new HashMap<>(128, 0.79f); 但是一般不会改变负载因子的值，该方法实际表现未知。

《码出高效》系列笔记（四）：数据结构与集合的框架篇

前言

数据结构

集合框架

List 集合

Queue 集合

Map 集合

Set 集合

集合初始化

ArrayList 部分源码解析

HashMap 部分源码解析

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