阿里Java编程规约【六】 集合处理

简介: 1. 【强制】关于 hashCode 和 equals 的处理,遵循如下规则:1. 只要覆写 equals,就必须覆写 hashCode。2. 因为 Set 存储的是不重复的对象,依据 hashCode 和 equals 进行判断,所以 Set 存储的对象必须覆写这两种方法。3. 如果自定义对象作为 Map 的键,那么必须覆写 hashCode 和 equals。说明:String 因为覆写了 hashCode 和 equals 方法,所以可以愉快地将 String 对象作为 key 来使用。

1. 【强制】关于 hashCode 和 equals 的处理,遵循如下规则:


  1. 只要覆写 equals,就必须覆写 hashCode。


  1. 因为 Set 存储的是不重复的对象,依据 hashCode 和 equals 进行判断,所以 Set 存储的对象必须覆写这两种方法。


  1. 如果自定义对象作为 Map 的键,那么必须覆写 hashCode 和 equals。
    说明:String 因为覆写了 hashCode 和 equals 方法,所以可以愉快地将 String 对象作为 key 来使用。


我的笔记:《Effective Java》告诉我们重写hashcode方法的最佳实践方式。

一个好的 hashcode 方法通常最好是不相等的对象产生不相等的 hash 值,理想情况下,hashcode方法应该把集合中不相等的实例均匀分布到所有可能的 hash 值上面。在企业开发中,最好使用第三方库如 Apache commons 来生成hashocde方法。


2. 【强制】判断所有集合内部的元素是否为空,使用 isEmpty() 方法,而不是 size() == 0 的方式。


说明:在某些集合中,前者的时间复杂度为 O(1),而且可读性更好。


3.【强制】在使用 java.util.stream.Collectors 类的 toMap() 方法转为 Map 集合时,一定要使用参数类型 为 BinaryOperator,参数名为 mergeFunction 的方法,否则当出现相同 key 时会抛出 IllegalStateException 异常。


说明:参数 mergeFunction 的作用是当出现 key 重复时,自定义对 value 的处理策略。 正例:


List<Pair<String, Double>> pairArrayList = new ArrayList<>(3);
pairArrayList.add(new Pair<>("version", 12.10));
pairArrayList.add(new Pair<>("version", 12.19));
pairArrayList.add(new Pair<>("version", 6.28));
// 生成的 map 集合中只有一个键值对:{version=6.28}
Map<String, Double> map = pairArrayList.stream()
    .collect(Collectors.toMap(Pair::getKey, Pair::getValue, (v1, v2) -> v2));


反例:


String[] departments = new String[]{"RDC", "RDC", "KKB"};
// 抛出 IllegalStateException 异常
Map<Integer, String> map = Arrays.stream(departments)
    .collect(Collectors.toMap(String::hashCode, str -> str));


4.【强制】在使用 java.util.stream.Collectors 类的 toMap() 方法转为 Map 集合时,一定要注意当 value 为 null 时会抛 NPE 异常。


说明:在 java.util.HashMap 的 merge 方法里会进行如下的判断:


if (value == null || remappingFunction == null) {
  throw new NullPointerException();
}


反例:


List<Pair<String, Double>> pairArrayList = new ArrayList<>(2);
pairArrayList.add(new Pair<>("version1", 8.3));
pairArrayList.add(new Pair<>("version2", null));
// 抛出 NullPointerException 异常
Map<String, Double> map = pairArrayList.stream()
    .collect(Collectors.toMap(Pair::getKey, Pair::getValue, (v1, v2) -> v2));


5.【强制】ArrayList 的 subList 结果不可强转成 ArrayList,否则会抛出 ClassCastException 异常:java.util.RandomAccessSubList cannot be cast to java.util.ArrayList。


说明:subList() 返回的是 ArrayList 的内部类 SubList,并不是 ArrayList 本身,而是 ArrayList 的一个视图,对于 SubList 的所有操作最终会反映到原列表上。


6.【强制】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。


7.【强制】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。


反例:如果查询无结果,返回 Collections.emptyList() 空集合对象,调用方一旦在返回的集合中进行了添加元素的操作,就会触发 UnsupportedOperationException 异常。


8.【强制】在 subList 场景中,高度注意对父集合元素的增加或删除,均会导致子列表的遍历、增加、删除产生 ConcurrentModificationException 异常。


说明:抽查表明,90% 的程序员对此知识点都有错误的认知。


9.【强制】使用集合转数组的方法,必须使用集合的 toArray(T[] array),传入的是类型完全一致、长度为 0 的空数组。


反例:直接使用 toArray 无参方法存在问题,此方法返回值只能是 Object[]类,若强转其它类型数组将出现 ClassCastException 错误。 正例:


List<String> list = new ArrayList<>(2);
list.add("guan");
list.add("bao");
String[] array = list.toArray(new String[0]);


说明:使用 toArray 带参方法,数组空间大小的 length:


1)等于 0,动态创建与 size 相同的数组,性能最好。


2)大于 0 但小于 size,重新创建大小等于 size 的数组,增加 GC 负担。


3)等于 size,在高并发情况下,数组创建完成之后,size 正在变大的情况下,负面影响与 2 相同。


4)大于 size,空间浪费,且在 size 处插入 null 值,存在 NPE 隐患。


10.【强制】使用 Collection 接口任何实现类的 addAll() 方法时,要对输入的集合参数进行 NPE 判断。


说明:在 ArrayList#addAll 方法的第一行代码即 Object[] a = c.toArray();其中 c 为输入集合参数,如果为 null, 则直接抛出异常。


11.【强制】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。


说明:asList 的返回对象是一个 Arrays 内部类,并没有实现集合的修改方法。


Arrays.asList 体现的是适配器模式,只 是转换接口,后台的数据仍是数组。


String[] str = new String[]{ "yang", "guan", "bao" };
List list = Arrays.asList(str);


第一种情况:list.add("yangguanbao"); 运行时异常。


第二种情况:str[0] = "change"; list 中的元素也会随之修改,反之亦然。


12.【强制】泛型通配符来接收返回的数据,此写法的泛型集合不能使用 add 方法, 而不能使用 get 方法,两者在接口调用赋值的场景中容易出错。


说明:扩展说一下 PECS(Producer Extends Consumer Super) 原则,即频繁往外读取内容的,适合用 ,经常往里插入的,适合用


13.【强制】在无泛型限制定义的集合赋值给泛型限制的集合时,在使用集合元素时,需要进行 instanceof 判断,避免抛出 ClassCastException 异常。


说明:毕竟泛型是在 JDK5 后才出现,考虑到向前兼容,编译器是允许非泛型集合与泛型集合互相赋值。 反例:


List<String> generics = null;
List notGenerics = new ArrayList(10);
notGenerics.add(new Object());
notGenerics.add(new Integer(1));
generics = notGenerics;
// 此处抛出 ClassCastException 异常
String string = generics.get(0);


14.【强制】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。


正例:


List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("1");
list.add("2");
Iterator<String> iterator = list.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
    String item = iterator.next();
    if (删除元素的条件) {
        iterator.remove(); 
    }
}


反例:


for (String item : list) {
    if ("1".equals(item)) { 
        list.remove(item); 
    }
}


说明:反例中的执行结果肯定会出乎大家的意料,那么试一下把“1”换成“2”会是同样的结果吗?


我的笔记: 修改一定要使用Iterator。反例中改成2,抛出ConcurrentModificationException,因为2是数组的结束边界。


15.【强制】在 JDK7 版本及以上,Comparator 实现类要满足如下三个条件,不然 Arrays.sort, Collections.sort 会抛 IllegalArgumentException 异常。

说明:三个条件如下


1)x,y 的比较结果和 y,x 的比较结果相反。


2)x > y,y > z,则 x > z。


3)x = y,则 x,z 比较结果和 y,z 比较结果相同。 反例:下例中没有处理相等的情况,交换两个对象判断结果并不互反,不符合第一个条件,在实际使用中可能会出现异常。


new Comparator<Student>() {
    @Override public int compare(Student o1, Student o2) {
        return o1.getId() > o2.getId() ? 1 : -1;
    }
};


16.【推荐】泛型集合使用时,在 JDK7 及以上,使用 diamond 语法或全省略。

说明:菱形泛型,即 diamond,直接使用<>来指代前边已经指定的类型。 正例:


// diamond 方式,即<>
HashMap<String, String> userCache = new HashMap<>(16);
// 全省略方式
ArrayList<User> users = new ArrayList(10);


17.【推荐】集合初始化时,指定集合初始值大小。


说明:HashMap 使用构造方法 HashMap(int initialCapacity) 进行初始化时,如果暂时无法确定集合大小,那么指 定默认值(16)即可。


正例:initialCapacity = (需要存储的元素个数 / 负载因子) + 1。注意负载因子(即 loaderfactor)默认为 0.75,如果 暂时无法确定初始值大小,请设置为 16(即默认值)。


反例:HashMap 需要放置 1024 个元素,由于没有设置容量初始大小,随着元素增加而被迫不断扩容,resize() 方法 总共会调用 8 次,反复重建哈希表和数据迁移。当放置的集合元素个数达千万级时会影响程序性能。


18.【推荐】使用 entrySet 遍历 Map 类集合 KV,而不是 keySet 方式进行遍历。

说明:keySet 其实是遍历了 2 次,一次是转为 Iterator 对象,另一次是从 hashMap 中取出 key 所对应的 value。而 entrySet 只是遍历了一次就把 key 和 value 都放到了 entry 中,效率更高。如果是 JDK8,使用 Map.forEach 方法。 正例:values() 返回的是 V 值集合,是一个 list 集合对象;keySet() 返回的是 K 值集合,是一个 Set 集合对象; entrySet() 返回的是 K-V 值组合的 Set 集合。


19.【推荐】高度注意 Map 类集合 K / V 能不能存储 null 值的情况,如下表格:

集合类 key value super 说明
hashtable 不允许为 null 不允许为 null Dictionary 线程安全
treemap 不允许为 null 允许为 null AbstractMap 线程不安全
concurrenthashMap 不允许为 null 不允许为 null AbstractMap 锁分段技术
hashmap 允许为 null 允许为 null AbstractMap 线程不安全


反例:由于 HashMap 的干扰,很多人认为 ConcurrentHashMap 是可以置入 null 值,而事实上,存储 null 值时会抛 出 NPE 异常。


总结:


Java 的集合类 API 有很大的选择余地;Java 7 至少提供了 58 个不同的集合类。在编写应用时,选择恰当的集合类,以及恰当地使用集合类,是一个重要的性能考量。

使用集合类的第一条规则是,选择适合应用的算法需求的集合类。该建议并不是特定于 Java 的。LinkedList 不适合做搜索;如果需要访问一段随机的数据,应该将集合保存到 HashMap 中。如果数据需要有序排列,则应使用 TreeMap,而不是尝试在应用中做排序。如果会用索引访问数据,则使用 ArrayList;但如果会频繁地向该数组中间插入数据,则不要使用它,诸如此类。根据算法选择要使用哪个集合类,这非常重要,但是在 Java 中做选择和在其他编程语言中做选择并没有多少区别。


然而在使用 Java 的集合类时,还有一些特殊的地方需要考虑。


  1. 同步还是非同步
    几乎所有的 Java 集合类都是非同步的(主要的例外是 HashtableVector 及与其相关的类)。
    在早期的 Java 版本中,同步——甚至是不存在竞争时的同步——是个很大的性能问题,所以当第一个重大修订版本发布时,集合类框架采用了相反的做法:所有新的集合类默认都是非同步的。即使从那时开始同步性能已经有了显著提高,但仍然不是没有成本的;能够选择非同步的集合类,可以帮助大家编写更快的程序(偶尔会出现因并发修改某个非同步的集合而导致的 bug)。


  1. 设定集合的大小
    ArrayList 类调整数组大小的方法是,在现有基础上增加约一半。所以 elementData 数组的大小最初是 10,然后是 15,22,33,以此类推。不管使用何种算法调整数组大小(参见后面方框内的文字),都会导致一些内存被浪费(这反过来又会影响应用花在执行 GC 上的时间)。此外,每当数组必须调整大小时,都伴随一个成本很高的数组复制操作,将老数组中的内容转移到新数组中。
    要减少这些性能损失,必须尽可能准确地估计一下集合最终的大小,并用这个值来构建集合。


非集合类中的数据扩展


很多非集合类也会在内部数组中保存大量数据。比如,ByteArrayOutputStream类必须把写入到该流中的所有数据保存到一个内部缓冲区中;类似地,StringBuilder 和 StringBuffer 类也必须将所有字符保存到一个内部的字符数组中。


这些类大多会使用同样的算法调整内部数组的大小:需要调整时就加倍。这意味着,平均而言,内部的数组要比当前包含的数据多 25%。


这里的性能考量是相似的:使用的内存量多于 ArrayList 这个例子,需要复制数据的次数要少一些,但原理是一样的。在构建某个对象时,如果可以设置其大小,可以评估一下这个对象最终会保存多少数据,然后选择接受大小参数的那个构造函数。


  1. 集合与内存使用效率
    我们刚看了一个集合的内存使用效率没有达到最佳的例子:在用于保存集合中的元素的底层存储中,往往会浪费一些内存。
    对于元素比较稀疏的集合(只有一两个元素),这存在较大的问题。如果这样的集合用得非常多,则会浪费大量内存。解决方案之一就是在创建集合时设定其大小。另一种方案是,考虑一下这种情况是不是真的需要集合。
    大部分开发者被问及如何快速地排序任意一个数组时,答案都会是快速排序(quicksort)。而好的性能工程师希望了解数组的大小:如果数组足够小,那最快的方式是使用插入排序(insertion sort)。(对于较小的数组来说,基于快速排序的算法通常会使用插入排序;就 Java 而言,Arrays.sort() 方法的实现就假定,少于 47 个元素的数组用插入排序比用快速排序更快。)数组大小至关重要。

附录:


image.png

图1:Java 集合的基本架构

image.png

表1:实现Set接口的类

image.png

表2:实现List接口的类

image.png

表3:实现Map接口的类

参考(References)

《码出高效 阿里巴巴Java开发手册 终极版(1.3.0)》

《Java性能权威指南》

《Java技术手册 第6版》

《Java面向对象编程(第2版)》

20.【参考】合理利用好集合的有序性(sort)和稳定性(order),避免集合的无序性(unsort)和不稳定性(unorder)带来的负面影响。

说明:有序性是指遍历的结果是按某种比较规则依次排列的,稳定性指集合每次遍历的元素次序是一定的。如: ArrayList 是 order / unsort;HashMap 是 unorder / unsort;TreeSet 是 order / sort。

集合类 sort/unsort order/unorder
ArrayList unsort order
HashMap unsort unorder
TreeSet sort unorder

21.【参考】利用 Set 元素唯一的特性,可以快速对一个集合进行去重操作,避免使用 List 的 contains() 进行遍历去重或者判断包含操作。

参考

  1. 2022 Java开发手册(黄山版).pdf



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