摘要：本文主要关注如何在Java中操作一系列对象，介绍了Java的内建类型——数组，并介绍了一些操作数组的方法；随后，介绍了JDK中的集合类，一元对象的存储使用了Collection,详细介绍了Collection的分类；同时，本文展示了Map的多种实现策略；本文的重点内容是处理细节注意事项，来源于Java开发手册。
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演讲嘉宾简介：
邢凯航(花名：弗止)，Java高级开发工程师，香港大学计算机科学硕士，16年加入阿里巴巴，目前就职于研发效能事业部用户声音及代码智能化团队，负责代码中心后端开发。
PPT地址：https://yq.aliyun.com/download/2656
以下内容根据演讲嘉宾视频分享以及PPT整理而成。
本次的分享主要围绕以下四个方面：
一、数组
二、Collection
三、Map
四、处理细节注意事项
一、数组
数组作为java的内建类型，它的大小和类型是固定的，访问性能高效。数组的大小和类型一旦被指定，在运行期间就不能再修改；同时，Java中的数组支持边界值检查，访问或设置越界的数组都会抛出异常；另外，数组对外提供了length变量，但它只能反映最大容量，但不能反映使用的大小，可以通过将数组的使用量存储在变量中或者遍历数组，确定数组的使用量；Java JDK中Arrays工具类提供了多种操作方式，比如填充数组（fill），二分查找（binarySearch，前提是整个数组是有序的），比较数组相等（equals），数组排序(sort)等方法。因为JDK提供的容器工具类提供了更丰富的能力，因此，在日常开发中，我们使用更多的其实是容器类，只有当我们确定这些容器工具类的效率成为问题时，我们才会切换到使用数组去实现。
二、Collection
下面我们看一下这些容器工具类，首先是一元对象存储Collection。
List：
List表示一系列有序的对象，List接口有多种实现，如下图所示。首先按照线程是否安全可以分为两类，线程安全指的是多个线程存取数据时都是安全的。非线程安全中最常用的是ArrayList，ArrayList基于数组实现，它跟数组类似，随机访问的操作时间复杂度是常数级别；与数组不同的是，arraylist的容量是可以自动增长的，最大容量可达到21亿。LinkedList是基于链表实现的，非线程安全，与ArrayList相比，LinkedList优势体现在，当我们经常在链表中增加删除元素时，LinkedList只需要修改前后对象的指针，而ArrayList需要拷贝剩下一部分的数组内容，因此LinkedList在这种情况下具有更高的效率。在下图中，线程安全的实现类包括Vector和CopyOnWriteArrayList，CopyOnWriteArrayList的整个add操作都是在锁的保护下进行的，修改数据时，先对数据加锁，从原有的数组中拷贝一份出来，在新的数组做写操作，写完之后，替换掉原来的数组，CopyOnWriteArrayList通过这种方式达到线程安全的目的。同时，数组定义时使用了transient关键字，达到了修改后所有线程都是可见的目的。CopyOnWriteArrayList在读取数据时，通过直接访问数组生成迭代器的快照，以此实现读取操作不需要加锁，并且可以并行访问的目的。Vector类已经不推荐使用了，Vector 的所有方法加上了 synchronized 关键字，达到线程安全的目的，与CopyOnWriteArrayList相比效率较低，在用户不考虑线程安全时，采用ArrayList或LinkedList实现。
Set：
当我们需要找到链表中一个确定的对象时，对于List类，我们需要遍历整个链表，效率比较低，因此JDK为我们提供了Set类型，表示一个集合的概念，与数学中集合的概念是类似的，Set集合中存储中不重复的元素。下图中的EnumSet仅仅用于处理枚举类型，使用位向量实现，根据枚举值的多少提供两种实现方式，这两种实现方式都是包私有的，我们需要通过EnumSet抽象类进行操作。Set类型也分为线程安全和非线程安全，另外，根据内置的集合是否有序，也可以分为两种实现。如果需要使用有序的集合，集合中的元素需要实现Comparable接口，或者让容器在构造时加入比较器对象。在有序的集合中，TreeSet是非线程安全的，内部使用TreeMap 实现，ConcurrentSkipListSet是一个有序且线程安全的集合，是基于ConcurrentSkipListMap实现的，使用ConcurrentSkipListSet进行新增，删除，查询，操作的时间复杂度能达到O(logn)。如果不需要整体有序的集合，我们可以选择别的实现，例如HashSet，它是一个非线程安全且无序的集合，基于HashMap实现。HashSet派生出的一个实现，LinkedHashSet，其保证在迭代获取时，元素获取的顺序与插入的顺序是一致的。LinkedHashSet在迭代访问Set中全部元素时，其性能优于HashSet，而在插入元素时，性能逊色于HashSet。CopyOnWriteArraySet是线程安全的，基于CopyOnWriteArrayList实现，在添加元素前，检查当前数据结构中是否包含了相同的元素，如果已经包含，就不再重复增加。
Queue:
Queue代表队列，一般用于存取需要处理的任务，提供了在一端进行存取的能力。BlockingQueue接口的实现类额外提供了在存取元素时，阻塞的能力。BlockingQueue提供了多套方法，在获取元素时，如果队列为空，或者在插入元素时，队列已满，BlockingQueue将会抛出异常，或者返回一个特定值让程序去处理，或者让调用者线程无限的等待，或者在有限的时间范围内等待。Deque接口的实现类提供在两端进行存取的能力。PriorityQueue和PriorityBlockingQueue提供优先队列的能力，前者是非线程安全，后者是线程安全的。它们存取的对象需要实现Comparable接口或者提供比较器，否者会抛出异常。DelayQueue是一个延时队列，当队列中的元素达到延时的时间时才会被取出，队列中的元素最终会按照执行的时间在队列中进行排序。SynchronizedQueue并没有容量设置，每一个获取动作必须等待线程的插入动作达到匹配，在线程池中有所应用。TransferQueue接口的实现类的作用和SynchronizedQueue类似，功能有所增强。在典型生产者与消费者模式中，生产者可以采用阻塞或者非阻塞的方式，将对象传递给消费者，并且在队列上提供查询消费者情况的接口。
三、Map：
Map是一种键值对的映射，在java中有多种Map的实现可供选择。实现SortedMap接口的类会按照key进行排序，TreeMap是SortedMap的一种实现，是非线程安全的，内部使用红黑树模型。使用TreeMap进行插入，删除，查找操作的时间复杂度为O（logn）。ConcurrentSkipListMap使用跳表的数据结构，插入，删除，查询操作的时间复杂度为O（logn）。跳表主要采用空间换时间的思想，跳表由多条链构成，是关键字升序排列的数据结构，包含多个级别，一个head引用指向最高的级别，最低（底部）的级别，包含所有的key，每一个级别都是其更低级别的子集，并且是有序的。对于Map，常用的实现为HashMap，concurrentHashMap。HashMap的实现结构是散列表（数组＋链表）方式， LinkedHashMap增加了时间和空间上的开销，但是通过维护运行在所有条目上的双向链表，保证元素顺序的一致性。ConcurrentHashMap是线程安全的，提供了分段锁的设计，在同一个分段内，才存在竞态的关系，而不同的分段锁之间，由于不存在竞争，可以并行。相对于在整个Map上加锁的设计，ConcurrentHashMap采用分段锁，大大提高了在高并发环境下处理的能力。HashTable就是在整个Map上加锁，达到线程安全的目的。EnumMap是专门用于枚举类型的映射，提供比较高的效率。WeakHashMap和HashMap比较类似，区别在于WeakHashMap 内部是通过弱引用来管理entry的，虽然弱引用可以用来访问对象，但进行垃圾回收时弱引用并不会被考虑在内，仅有弱引用指向的对象仍然会被GC回收。在IdentityHashMap中，当且仅当两个key严格相等（key1==key2）时，IdentityHashMap才认为两个key相等；相对于普通HashMap而言，只要key1和key2通过equals()方法返回true，且它们的hashCode值相等即可。
四、处理细节注意事项
1.只要重写equals，就必须重写hashcode，如下图所示。
首先equals与hashcode间的关系是这样的：如果两个对象相同（即用equals比较返回true），那么它们的hashCode值一定要相同；如果两个对象的hashCode相同，它们并不一定相同(即用equals比较返回false)。重写hashcode方法的原因在于，为了保证同一个对象，保证在equals相同的情况下hashcode值必定相同，如果重写了equals而未重写hashcode方法，可能就会出现两个没有关系的对象equals相同的（因为equal都是根据对象的特征进行重写的），但hashcode确实不相同的。
2. 使用Map的方法keySet()/values()/entrySet()返回集合对象时，不可以对其进行添加元素操作，否则会抛出UnsupportedOperationException异常。如下图所示。
上图中的返回方法的对象都是内部的实现类，例如EntrySet,Values,因为这些都是实现类，这些类只实现了抽象集合中的部分方法，并没有重写add方法，如果在调用add方法时，实际会调用到AbstractCollection中的add方法，而抽象类中的add方法会抛出UnsupportedOperationException异常。
3. Collections类返回的对象，如：emptyList()/singletonList()等都是immutable list，不可对其进行添加或者删除元素的操作。
与前一条注意事项一样，下图展示了截取的EmptyList类重写的一些方法列表，我们发现并没有重写add方法，所以最终调用的还是AbstractCollection中的add方法，而抽象类中的add方法会抛出UnsupportedOperationException异常。
4. ArrayList的subList结果不不可强转成ArrayList，否则会抛出ClassCastException异常。
下图截取了ArrayList中的SubList，SubList是实际返回的一个类，SubList与ArrayList并没有任何的子类关系，如果强转，java会抛出ClassCastException异常。
5. 在subList场景中，高度注意对父集合元素个数的修改，会导致子列表的遍历、增加、删除均会产生ConcurrentModificationException 异常。
下图展示了ArrayList中的subList的一个Iterator，它的next()方法中，在执行的时候会先调用checkModification()方法，这个方法中会对expectedModcount进行判断，任何父集合元素的修改都会引起这个值的变化，在子集合遍历的时候抛出ConcurrentModificationException 异常。
6. 使用集合转数组的方法，必须使用集合的toArray(T[] array)，如下图所示，传入的是类型完全一样的数组，大小就是list.size()。
直接使用toArray()无参数方法时存在问题，这个方法只能返回Object类型的数组，如果强制转换成其他类型的数组，将会出现ClassCastException异常。当我们使用toArray带参数方法时，入参分配的参数空间不够大的话，toArray方法内部将重新分配内存空间，并返回新数组的地址；如果数组元素的个数大于实际所需，数组的下表从list.size()，一直到数组末尾全部元素都会被置为null，其他数组元素保持不变。因此，我们最好将方法入参数组的大小定义成集合元素的个数。
7. 使用工具类Arrays.asList()把数组转换成集合时，不能使用其修改集合相关的方法，它的add/remove/clear方法会抛出UnsupportedOperationException异常 。Arrays.asList()方法内部会用到ArrayList实现类，这个不同于java.util下的ArrayList类，从下图中可以看到，这个类并没有重写add和remove方法，而这些方法会继承自AbstractList抽象类中的add，remove，clear方法。add和remove操作会抛出UnsupportedOperationException异常。
8. 不要在foreach循环⾥进行元素的remove/add操作。remove元素请使用Iterator方式，如果并发操作，需要对Iterator对象加锁。
ArrayList的遍历是通过下面的内部类Iterator来实现的，遍历的时候，每当Iterator获取下一个元素时，如下图所示，都会调用checkForComodification()去检查arrayList是否被修改过。如果被修改了，就会抛出一个ConcurrentModificationException异常。
本文由云栖志愿小组沈金凤整理，编辑百见
