枚举与switch
关于枚举与switch是个比较简单的话题，使用switch进行条件判断时，条件参数一般只能是整型，字符型。而枚举型确实也被switch所支持，在java 1.7后switch也对字符串进行了支持。这里我们简单看一下switch与枚举类型的使用：
enum Color {GREEN,RED,BLUE} public class EnumDemo4 { public static void printName(Color color){ switch (color){ case BLUE: //无需使用Color进行引用 System.out.println("蓝色"); break; case RED: System.out.println("红色"); break; case GREEN: System.out.println("绿色"); break; } } public static void main(String[] args){ printName(Color.BLUE); printName(Color.RED); printName(Color.GREEN); //蓝色 //红色 //绿色 } }
需要注意的是使用在于switch条件进行结合使用时，无需使用Color引用。
单例模式可以说是最常使用的设计模式了，它的作用是确保某个类只有一个实例，自行实例化并向整个系统提供这个实例。在实际应用中，线程池、缓存、日志对象、对话框对象常被设计成单例，总之，选择单例模式就是为了避免不一致状态，下面我们将会简单说明单例模式的几种主要编写方式，从而对比出使用枚举实现单例模式的优点。首先看看饿汉式的单例模式：
/** * 饿汉式（基于classloder机制避免了多线程的同步问题） */ public class SingletonHungry { private static SingletonHungry instance = new SingletonHungry(); private SingletonHungry() { } public static SingletonHungry getInstance() { return instance; } }
显然这种写法比较简单，但问题是无法做到延迟创建对象，事实上如果该单例类涉及资源较多，创建比较耗时间时，我们更希望它可以尽可能地延迟加载，从而减小初始化的负载，于是便有了如下的懒汉式单例：
/** * 懒汉式单例模式（适合多线程安全） */ public class SingletonLazy { private static volatile SingletonLazy instance; private SingletonLazy() { } public static synchronized SingletonLazy getInstance() { if (instance == null) { instance = new SingletonLazy(); } return instance; } }
这种写法能够在多线程中很好的工作避免同步问题，同时也具备lazy loading机制，遗憾的是，由于synchronized的存在，效率很低，在单线程的情景下，完全可以去掉synchronized，为了兼顾效率与性能问题，改进后代码如下：
public class Singleton { private static volatile Singleton singleton = null; private Singleton(){} public static Singleton getSingleton(){ if(singleton == null){ synchronized (Singleton.class){ if(singleton == null){ singleton = new Singleton(); } } } return singleton; } }
这种编写方式被称为“双重检查锁”，主要在getSingleton()方法中，进行两次null检查。这样可以极大提升并发度，进而提升性能。毕竟在单例中new的情况非常少，绝大多数都是可以并行的读操作，因此在加锁前多进行一次null检查就可以减少绝大多数的加锁操作，也就提高了执行效率。但是必须注意的是volatile关键字，该关键字有两层语义。第一层语义是可见性，可见性是指在一个线程中对该变量的修改会马上由工作内存（Work Memory）写回主内存（Main Memory），所以其它线程会马上读取到已修改的值，关于工作内存和主内存可简单理解为高速缓存（直接与CPU打交道）和主存（日常所说的内存条），注意工作内存是线程独享的，主存是线程共享的。volatile的第二层语义是禁止指令重排序优化，我们写的代码（特别是多线程代码），由于编译器优化，在实际执行的时候可能与我们编写的顺序不同。编译器只保证程序执行结果与源代码相同，却不保证实际指令的顺序与源代码相同，这在单线程并没什么问题，然而一旦引入多线程环境，这种乱序就可能导致严重问题。volatile关键字就可以从语义上解决这个问题，值得关注的是volatile的禁止指令重排序优化功能在Java 1.5后才得以实现，因此1.5前的版本仍然是不安全的，即使使用了volatile关键字。或许我们可以利用静态内部类来实现更安全的机制，静态内部类单例模式如下：
/** * 静态内部类 */ public class SingletonInner { private static class Holder { private static SingletonInner singleton = new SingletonInner(); } private SingletonInner(){} public static SingletonInner getSingleton(){ return Holder.singleton; } }
正如上述代码所展示的，我们把Singleton实例放到一个静态内部类中，这样可以避免了静态实例在Singleton类的加载阶段（类加载过程的其中一个阶段的，此时只创建了Class对象，关于Class对象可以看博主另外一篇博文， 深入理解Java类型信息(Class对象)与反射机制）就创建对象，毕竟静态变量初始化是在SingletonInner类初始化时触发的，并且由于静态内部类只会被加载一次，所以这种写法也是线程安全的。从上述4种单例模式的写法中，似乎也解决了效率与懒加载的问题，但是它们都有两个共同的缺点：
- 序列化可能会破坏单例模式，比较每次反序列化一个序列化的对象实例时都会创建一个新的实例，解决方案如下：
//测试例子(四种写解决方式雷同) public class Singleton implements java.io.Serializable { public static Singleton INSTANCE = new Singleton(); protected Singleton() { } //反序列时直接返回当前INSTANCE private Object readResolve() { return INSTANCE; } }
- 使用反射强行调用私有构造器，解决方式可以修改构造器，让它在创建第二个实例的时候抛异常，如下：
public static Singleton INSTANCE = new Singleton(); private static volatile boolean flag = true; private Singleton() { if (flag) { flag = false; } else { throw new RuntimeException("The instance already exists ！"); } }
如上所述，问题确实也得到了解决，但问题是我们为此付出了不少努力，即添加了不少代码，还应该注意到如果单例类维持了其他对象的状态时还需要使他们成为transient的对象，这种就更复杂了，那有没有更简单更高效的呢？当然是有的，那就是枚举单例了，先来看看如何实现：
/** * Created by wuzejian on 2017/5/9. * 枚举单例 */ public enum SingletonEnum { INSTANCE; private String name; public String getName(){ return name; } public void setName(String name){ this.name = name; } }
代码相当简洁，我们也可以像常规类一样编写enum类，为其添加变量和方法，访问方式也更简单，使用SingletonEnum.INSTANCE进行访问，这样也就避免调用getInstance方法，更重要的是使用枚举单例的写法，我们完全不用考虑序列化和反射的问题。枚举序列化是由jvm保证的，每一个枚举类型和定义的枚举变量在JVM中都是唯一的，在枚举类型的序列化和反序列化上，Java做了特殊的规定：在序列化时Java仅仅是将枚举对象的name属性输出到结果中，反序列化的时候则是通过java.lang.Enum的valueOf方法来根据名字查找枚举对象。同时，编译器是不允许任何对这种序列化机制的定制的并禁用了writeObject、readObject、readObjectNoData、writeReplace和readResolve等方法，从而保证了枚举实例的唯一性，这里我们不妨再次看看Enum类的valueOf方法：
public static <T extends Enum<T>> T valueOf(Class<T> enumType, String name) { T result = enumType.enumConstantDirectory().get(name); if (result != null) { return result; } if (name == null) { throw new NullPointerException("Name is null"); } throw new IllegalArgumentException("No enum constant " + enumType.getCanonicalName() + "." + name); }
实际上通过调用enumType(Class对象的引用)的enumConstantDirectory方法获取到的是一个Map集合，在该集合中存放了以枚举name为key和以枚举实例变量为value的Key&Value数据，因此通过name的值就可以获取到枚举实例，看看enumConstantDirectory方法源码：
Map<String, T> enumConstantDirectory() { if (enumConstantDirectory == null) { //getEnumConstantsShared最终通过反射调用枚举类的values方法 T[] universe = getEnumConstantsShared(); if (universe == null) throw new IllegalArgumentException( getName() + " is not an enum type"); Map<String, T> m = new HashMap<>(2 * universe.length); //map存放了当前enum类的所有枚举实例变量，以name为key值 for (T constant : universe) m.put(((Enum<?>)constant).name(), constant); enumConstantDirectory = m; } return enumConstantDirectory; } private volatile transient Map<String, T> enumConstantDirectory = null;
到这里我们也就可以看出枚举序列化确实不会重新创建新实例，jvm保证了每个枚举实例变量的唯一性。再来看看反射到底能不能创建枚举，下面试图通过反射获取构造器并创建枚举
public static void main(String[] args) throws IllegalAccessException, InvocationTargetException, InstantiationException, NoSuchMethodException { //获取枚举类的构造函数(前面的源码已分析过) Constructor<SingletonEnum> constructor=SingletonEnum.class.getDeclaredConstructor(String.class,int.class); constructor.setAccessible(true); //创建枚举 SingletonEnum singleton=constructor.newInstance("otherInstance",9); }
执行报错
Exception in thread "main" java.lang.IllegalArgumentException: Cannot reflectively create enum objects at java.lang.reflect.Constructor.newInstance(Constructor.java:417) at zejian.SingletonEnum.main(SingletonEnum.java:38) at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Native Method) at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke(NativeMethodAccessorImpl.java:62) at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43) at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:498) at com.intellij.rt.execution.application.AppMain.main(AppMain.java:144)
显然告诉我们不能使用反射创建枚举类，这是为什么呢？不妨看看newInstance方法源码：
public T newInstance(Object ... initargs) throws InstantiationException, IllegalAccessException, IllegalArgumentException, InvocationTargetException { if (!override) { if (!Reflection.quickCheckMemberAccess(clazz, modifiers)) { Class<?> caller = Reflection.getCallerClass(); checkAccess(caller, clazz, null, modifiers); } } //这里判断Modifier.ENUM是不是枚举修饰符，如果是就抛异常 if ((clazz.getModifiers() & Modifier.ENUM) != 0) throw new IllegalArgumentException("Cannot reflectively create enum objects"); ConstructorAccessor ca = constructorAccessor; // read volatile if (ca == null) { ca = acquireConstructorAccessor(); } @SuppressWarnings("unchecked") T inst = (T) ca.newInstance(initargs); return inst; }
源码很了然，确实无法使用反射创建枚举实例，也就是说明了创建枚举实例只有编译器能够做到而已。显然枚举单例模式确实是很不错的选择，因此我们推荐使用它。但是这总不是万能的，对于android平台这个可能未必是最好的选择，在android开发中，内存优化是个大块头，而使用枚举时占用的内存常常是静态变量的两倍还多，因此android官方在内存优化方面给出的建议是尽量避免在android中使用enum。但是不管如何，关于单例，我们总是应该记住：线程安全，延迟加载，序列化与反序列化安全，反射安全是很重重要的。
EnumMap基本用法
先思考这样一个问题，现在我们有一堆size大小相同而颜色不同的数据，需要统计出每种颜色的数量是多少以便将数据录入仓库，定义如下枚举用于表示颜色Color:
enum Color { GREEN,RED,BLUE,YELLOW}
我们有如下解决方案，使用Map集合来统计，key值作为颜色名称，value代表衣服数量，如下：
package com.zejian.enumdemo; import java.util.*; public class EnumMapDemo { public static void main(String[] args){ List<Clothes> list = new ArrayList<>(); list.add(new Clothes("C001",Color.BLUE)); list.add(new Clothes("C002",Color.YELLOW)); list.add(new Clothes("C003",Color.RED)); list.add(new Clothes("C004",Color.GREEN)); list.add(new Clothes("C005",Color.BLUE)); list.add(new Clothes("C006",Color.BLUE)); list.add(new Clothes("C007",Color.RED)); list.add(new Clothes("C008",Color.YELLOW)); list.add(new Clothes("C009",Color.YELLOW)); list.add(new Clothes("C010",Color.GREEN)); //方案1:使用HashMap Map<String,Integer> map = new HashMap<>(); for (Clothes clothes:list){ String colorName=clothes.getColor().name(); Integer count = map.get(colorName); if(count!=null){ map.put(colorName,count+1); }else { map.put(colorName,1); } } System.out.println(map.toString()); System.out.println("---------------"); //方案2:使用EnumMap Map<Color,Integer> enumMap=new EnumMap<>(Color.class); for (Clothes clothes:list){ Color color=clothes.getColor(); Integer count = enumMap.get(color); if(count!=null){ enumMap.put(color,count+1); }else { enumMap.put(color,1); } } System.out.println(enumMap.toString()); } } /** 输出结果: {RED=2, BLUE=3, YELLOW=3, GREEN=2} --------------- {GREEN=2, RED=2, BLUE=3, YELLOW=3} */
代码比较简单，我们使用两种解决方案，一种是HashMap，一种EnumMap，虽然都统计出了正确的结果，但是EnumMap作为枚举的专属的集合，我们没有理由再去使用HashMap，毕竟EnumMap要求其Key必须为Enum类型，因而使用Color枚举实例作为key是最恰当不过了，也避免了获取name的步骤，更重要的是EnumMap效率更高，因为其内部是通过数组实现的（稍后分析），注意EnumMap的key值不能为null，虽说是枚举专属集合，但其操作与一般的Map差不多，概括性来说EnumMap是专门为枚举类型量身定做的Map实现，虽然使用其它的Map（如HashMap）也能完成相同的功能，但是使用EnumMap会更加高效，它只能接收同一枚举类型的实例作为键值且不能为null，由于枚举类型实例的数量相对固定并且有限，所以EnumMap使用数组来存放与枚举类型对应的值，毕竟数组是一段连续的内存空间，根据程序局部性原理，效率会相当高。下面我们来进一步了解EnumMap的用法，先看构造函数：
//创建一个具有指定键类型的空枚举映射。 EnumMap(Class<K> keyType) //创建一个其键类型与指定枚举映射相同的枚举映射，最初包含相同的映射关系（如果有的话）。 EnumMap(EnumMap<K,? extends V> m) //创建一个枚举映射，从指定映射对其初始化。 EnumMap(Map<K,? extends V> m)
与HashMap不同，它需要传递一个类型信息，即Class对象，通过这个参数EnumMap就可以根据类型信息初始化其内部数据结构，另外两只是初始化时传入一个Map集合，代码演示如下：
//使用第一种构造 Map<Color,Integer> enumMap=new EnumMap<>(Color.class); //使用第二种构造 Map<Color,Integer> enumMap2=new EnumMap<>(enumMap); //使用第三种构造 Map<Color,Integer> hashMap = new HashMap<>(); hashMap.put(Color.GREEN, 2); hashMap.put(Color.BLUE, 3); Map<Color, Integer> enumMap = new EnumMap<>(hashMap);
至于EnumMap的方法，跟普通的map几乎没有区别，注意与HashMap的主要不同在于构造方法需要传递类型参数和EnumMap保证Key顺序与枚举中的顺序一致，但请记住Key不能为null。
EnumMap实现原理剖析
EnumMap的源码有700多行，这里我们主要分析其内部存储结构，添加查找的实现，了解这几点，对应EnumMap内部实现原理也就比较清晰了，先看数据结构和构造函数
public class EnumMap<K extends Enum<K>, V> extends AbstractMap<K, V> implements java.io.Serializable, Cloneable { //Class对象引用 private final Class<K> keyType; //存储Key值的数组 private transient K[] keyUniverse; //存储Value值的数组 private transient Object[] vals; //map的size private transient int size = 0; //空map private static final Enum<?>[] ZERO_LENGTH_ENUM_ARRAY = new Enum<?>[0]; //构造函数 public EnumMap(Class<K> keyType) { this.keyType = keyType; keyUniverse = getKeyUniverse(keyType); vals = new Object[keyUniverse.length]; } }
EnumMap继承了AbstractMap类，因此EnumMap具备一般map的使用方法，keyType表示类型信息，keyUniverse表示键数组，存储的是所有可能的枚举值，vals数组表示键对应的值，size表示键值对个数。在构造函数中通过keyUniverse = getKeyUniverse(keyType);初始化了keyUniverse数组的值，内部存储的是所有可能的枚举值，接着初始化了存在Value值得数组vals，其大小与枚举实例的个数相同，getKeyUniverse方法实现如下
//返回枚举数组 private static <K extends Enum<K>> K[] getKeyUniverse(Class<K> keyType) { //最终调用到枚举类型的values方法，values方法返回所有可能的枚举值 return SharedSecrets.getJavaLangAccess().getEnumConstantsShared(keyType); }
从方法的返回值来看，返回类型是枚举数组，事实也是如此，最终返回值正是枚举类型的values方法的返回值，前面我们分析过values方法返回所有可能的枚举值，因此keyUniverse数组存储就是枚举类型的所有可能的枚举值。接着看put方法的实现
public V put(K key, V value) { typeCheck(key);//检测key的类型 //获取存放value值得数组下标 int index = key.ordinal(); //获取旧值 Object oldValue = vals[index]; //设置value值 vals[index] = maskNull(value); if (oldValue == null) size++; return unmaskNull(oldValue);//返回旧值 }
这里通过typeCheck方法进行了key类型检测，判断是否为枚举类型，如果类型不对，会抛出异常
private void typeCheck(K key) { Class<?> keyClass = key.getClass();//获取类型信息 if (keyClass != keyType && keyClass.getSuperclass() != keyType) throw new ClassCastException(keyClass + " != " + keyType); }
接着通过int index = key.ordinal()的方式获取到该枚举实例的顺序值，利用此值作为下标，把值存储在vals数组对应下标的元素中即vals[index]，这也是为什么EnumMap能维持与枚举实例相同存储顺序的原因，我们发现在对vals[]中元素进行赋值和返回旧值时分别调用了maskNull方法和unmaskNull方法
//代表NULL值得空对象实例 private static final Object NULL = new Object() { public int hashCode() { return 0; } public String toString() { return "java.util.EnumMap.NULL"; } }; private Object maskNull(Object value) { //如果值为空，返回NULL对象，否则返回value return (value == null ? NULL : value); } @SuppressWarnings("unchecked") private V unmaskNull(Object value) { //将NULL对象转换为null值 return (V)(value == NULL ? null : value); }
由此看来EnumMap还是允许存放null值的，但key绝对不能为null，对于null值，EnumMap进行了特殊处理,将其包装为NULL对象，毕竟vals[]存的是Object，maskNull方法和unmaskNull方法正是用于null的包装和解包装的。这就是EnumMap集合的添加过程。下面接着看获取方法
public V get(Object key) { return (isValidKey(key) ? unmaskNull(vals[((Enum<?>)key).ordinal()]) : null); } //对Key值的有效性和类型信息进行判断 private boolean isValidKey(Object key) { if (key == null) return false; // Cheaper than instanceof Enum followed by getDeclaringClass Class<?> keyClass = key.getClass(); return keyClass == keyType || keyClass.getSuperclass() == keyType; }
相对应put方法，get方法显示相当简洁，key有效的话，直接通过ordinal方法取索引，然后在值数组vals里通过索引获取值返回。remove方法如下：
public V remove(Object key) { //判断key值是否有效 if (!isValidKey(key)) return null; //直接获取索引 int index = ((Enum<?>)key).ordinal(); Object oldValue = vals[index]; //对应下标元素值设置为null vals[index] = null; if (oldValue != null) size--;//减size return unmaskNull(oldValue); }
非常简单，key值有效，通过key获取下标索引值，把vals[]对应下标值设置为null，size减一。查看是否包含某个值，
判断是否包含某value public boolean containsValue(Object value) { value = maskNull(value); //遍历数组实现 for (Object val : vals) if (value.equals(val)) return true; return false; } //判断是否包含key public boolean containsKey(Object key) { return isValidKey(key) && vals[((Enum<?>)key).ordinal()] != null; }
判断value直接通过遍历数组实现，而判断key就更简单了，判断key是否有效和对应vals[]中是否存在该值。ok~，这就是EnumMap的主要实现原理，即内部有两个数组，长度相同，一个表示所有可能的键(枚举值)，一个表示对应的值，不允许keynull，但允许value为null，键都有一个对应的索引，根据索引直接访问和操作其键数组和值数组，由于操作都是数组，因此效率很高。
EnumSet是与枚举类型一起使用的专用 Set 集合，EnumSet 中所有元素都必须是枚举类型。与其他Set接口的实现类HashSet/TreeSet(内部都是用对应的HashMap/TreeMap实现的)不同的是，EnumSet在内部实现是位向量(稍后分析)，它是一种极为高效的位运算操作，由于直接存储和操作都是bit，因此EnumSet空间和时间性能都十分可观，足以媲美传统上基于 int 的“位标志”的运算，重要的是我们可像操作set集合一般来操作位运算，这样使用代码更简单易懂同时又具备类型安全的优势。注意EnumSet不允许使用 null 元素。试图插入 null 元素将抛出 NullPointerException，但试图测试判断是否存在null 元素或移除 null 元素则不会抛出异常，与大多数collection 实现一样，EnumSet不是线程安全的，因此在多线程环境下应该注意数据同步问题。
