Java集合使用注意事项总结

这篇文章我根据《阿里巴巴 Java 开发手册》总结了关于集合使用常见的注意事项以及其具体原理。

强烈建议小伙伴们多多阅读几遍，避免自己写代码的时候出现这些低级的问题。

集合判空

《阿里巴巴 Java 开发手册》的描述如下：

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。

这是因为 isEmpty() 方法的可读性更好，并且时间复杂度为 O(1)。

绝大部分我们使用的集合的 size() 方法的时间复杂度也是 O(1)，不过，也有很多复杂度不是 O(1) 的，比如 java.util.concurrent 包下的 ConcurrentLinkedQueue。ConcurrentLinkedQueue 的 isEmpty() 方法通过 first() 方法进行判断，其中 first() 方法返回的是队列中第一个值不为 null 的节点（节点值为null的原因是在迭代器中使用的逻辑删除）

public boolean isEmpty() { return first() == null; }

Node<E> first() {
    restartFromHead:
    for (;;) {
        for (Node<E> h = head, p = h, q;;) {
            boolean hasItem = (p.item != null);
            if (hasItem || (q = p.next) == null) {  // 当前节点值不为空 或 到达队尾
                updateHead(h, p);  // 将head设置为p
                return hasItem ? p : null;
            }
            else if (p == q) continue restartFromHead;
            else p = q;  // p = p.next
        }
    }
}

由于在插入与删除元素时，都会执行updateHead(h, p)方法，所以该方法的执行的时间复杂度可以近似为O(1)。而 size() 方法需要遍历整个链表，时间复杂度为O(n)

public int size() {
    int count = 0;
    for (Node<E> p = first(); p != null; p = succ(p))
        if (p.item != null)
            if (++count == Integer.MAX_VALUE)
                break;
    return count;
}

此外，在ConcurrentHashMap 1.7 中 size() 方法和 isEmpty() 方法的时间复杂度也不太一样。ConcurrentHashMap 1.7 将元素数量存储在每个Segment 中，size() 方法需要统计每个 Segment 的数量，而 isEmpty() 只需要找到第一个不为空的 Segment 即可。但是在ConcurrentHashMap 1.8 中的 size() 方法和 isEmpty() 都需要调用 sumCount() 方法，其时间复杂度与 Node 数组的大小有关。下面是 sumCount() 方法的源码：

final long sumCount() {
    CounterCell[] as = counterCells; CounterCell a;
    long sum = baseCount;
    if (as != null)
        for (int i = 0; i < as.length; ++i)
            if ((a = as[i]) != null)
                sum += a.value;
    return sum;
}

这是因为在并发的环境下，ConcurrentHashMap 将每个 Node 中节点的数量存储在 CounterCell[] 数组中。在 ConcurrentHashMap 1.7 中，将元素数量存储在每个Segment 中，size() 方法需要统计每个 Segment 的数量，而 isEmpty() 只需要找到第一个不为空的 Segment 即可。

集合转 Map

《阿里巴巴 Java 开发手册》的描述如下：

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。

class Person {
    private String name;
    private String phoneNumber;
     // getters and setters
}

List<Person> bookList = new ArrayList<>();
bookList.add(new Person("jack","18163138123"));
bookList.add(new Person("martin",null));
// 空指针异常
bookList.stream().collect(Collectors.toMap(Person::getName, Person::getPhoneNumber));

下面我们来解释一下原因。

首先，我们来看 java.util.stream.Collectors 类的 toMap() 方法 ，可以看到其内部调用了 Map 接口的 merge() 方法。

public static <T, K, U, M extends Map<K, U>>
Collector<T, ?, M> toMap(Function<? super T, ? extends K> keyMapper,
                            Function<? super T, ? extends U> valueMapper,
                            BinaryOperator<U> mergeFunction,
                            Supplier<M> mapSupplier) {
    BiConsumer<M, T> accumulator
            = (map, element) -> map.merge(keyMapper.apply(element),
                                          valueMapper.apply(element), mergeFunction);
    return new CollectorImpl<>(mapSupplier, accumulator, mapMerger(mergeFunction), CH_ID);
}

Map 接口的 merge() 方法如下，这个方法是接口中的默认实现。

如果你还不了解 Java 8 新特性的话，请看这篇文章：《Java8 新特性总结》 。

default V merge(K key, V value,
        BiFunction<? super V, ? super V, ? extends V> remappingFunction) {
    Objects.requireNonNull(remappingFunction);
    Objects.requireNonNull(value);
    V oldValue = get(key);
    V newValue = (oldValue == null) ? value :
               remappingFunction.apply(oldValue, value);
    if(newValue == null) {
        remove(key);
    } else {
        put(key, newValue);
    }
    return newValue;
}

merge() 方法会先调用 Objects.requireNonNull() 方法判断 value 是否为空。

public static <T> T requireNonNull(T obj) {
    if (obj == null)
        throw new NullPointerException();
    return obj;
}

集合遍历

《阿里巴巴 Java 开发手册》的描述如下：

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。

通过反编译你会发现 foreach 语法底层其实还是依赖 Iterator 。不过， remove/add 操作直接调用的是集合自己的方法，而不是 Iterator 的 remove/add方法

这就导致 Iterator 莫名其妙地发现自己有元素被 remove/add ，然后，它就会抛出一个 ConcurrentModificationException 来提示用户发生了并发修改异常。这就是单线程状态下产生的 fail-fast 机制。

fail-fast 机制：多个线程对 fail-fast 集合进行修改的时候，可能会抛出ConcurrentModificationException。 即使是单线程下也有可能会出现这种情况，上面已经提到过。

相关阅读：什么是 fail-fast 。

Java8 开始，可以使用 Collection#removeIf()方法删除满足特定条件的元素,如

List<Integer> list = new ArrayList<>();
for (int i = 1; i <= 10; ++i) {
    list.add(i);
}
list.removeIf(filter -> filter % 2 == 0); /* 删除list中的所有偶数 */
System.out.println(list); /* [1, 3, 5, 7, 9] */

除了上面介绍的直接使用 Iterator 进行遍历操作之外，你还可以：

• 使用普通的 for 循环
• 使用 fail-safe 的集合类。java.util包下面的所有的集合类都是 fail-fast 的，而java.util.concurrent包下面的所有的类都是 fail-safe 的。
• ……

集合去重

《阿里巴巴 Java 开发手册》的描述如下：

可以利用 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。

这里我们以 HashSet 和 ArrayList 为例说明。

// Set 去重代码示例
public static <T> Set<T> removeDuplicateBySet(List<T> data) {

    if (CollectionUtils.isEmpty(data)) {
        return new HashSet<>();
    }
    return new HashSet<>(data);
}

// List 去重代码示例
public static <T> List<T> removeDuplicateByList(List<T> data) {

    if (CollectionUtils.isEmpty(data)) {
        return new ArrayList<>();

    }
    List<T> result = new ArrayList<>(data.size());
    for (T current : data) {
        if (!result.contains(current)) {
            result.add(current);
        }
    }
    return result;
}

两者的核心差别在于 contains() 方法的实现。

HashSet 的 contains() 方法底部依赖的 HashMap 的 containsKey() 方法，时间复杂度接近于 O（1）（没有出现哈希冲突的时候为 O（1））。

private transient HashMap<E,Object> map;
public boolean contains(Object o) {
    return map.containsKey(o);
}

我们有 N 个元素插入进 Set 中，那时间复杂度就接近是 O (n)。

ArrayList 的 contains() 方法是通过遍历所有元素的方法来做的，时间复杂度接近是 O(n)。

public boolean contains(Object o) {
    return indexOf(o) >= 0;
}
public int indexOf(Object o) {
    if (o == null) {
        for (int i = 0; i < size; i++)
            if (elementData[i]==null)
                return i;
    } else {
        for (int i = 0; i < size; i++)
            if (o.equals(elementData[i]))
                return i;
    }
    return -1;
}

集合转数组

《阿里巴巴 Java 开发手册》的描述如下：

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。

toArray(T[] array) 方法的参数是一个泛型数组，如果 toArray 方法中没有传递任何参数的话返回的是 Object类 型数组。

String [] s= new String[]{
    "dog", "lazy", "a", "over", "jumps", "fox", "brown", "quick", "A"
};
List<String> list = Arrays.asList(s);
Collections.reverse(list);
//没有指定类型的话会报错
s=list.toArray(new String[0]);

由于 JVM 优化，new String[0]作为Collection.toArray()方法的参数现在使用更好，new String[0]就是起一个模板的作用，指定了返回数组的类型，0 是为了节省空间，因为它只是为了说明返回的类型。详见：https://shipilev.net/blog/2016/arrays-wisdom-ancients/

数组转集合

《阿里巴巴 Java 开发手册》的描述如下：

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。

我在之前的一个项目中就遇到一个类似的坑。

Arrays.asList()在平时开发中还是比较常见的，我们可以使用它将一个数组转换为一个 List 集合。

String[] myArray = {"Apple", "Banana", "Orange"};
List<String> myList = Arrays.asList(myArray);
//上面两个语句等价于下面一条语句
List<String> myList = Arrays.asList("Apple","Banana", "Orange");

JDK 源码对于这个方法的说明：

/**
  *返回由指定数组支持的固定大小的列表。此方法作为基于数组和基于集合的API之间的桥梁，
  * 与 Collection.toArray()结合使用。返回的List是可序列化并实现RandomAccess接口。
  */
public static <T> List<T> asList(T... a) {
    return new ArrayList<>(a);
}

下面我们来总结一下使用注意事项。

1、Arrays.asList()是泛型方法，传递的数组必须是对象数组，而不是基本类型。

int[] myArray = {1, 2, 3};
List myList = Arrays.asList(myArray);
System.out.println(myList.size());//1
System.out.println(myList.get(0));//数组地址值
System.out.println(myList.get(1));//报错：ArrayIndexOutOfBoundsException
int[] array = (int[]) myList.get(0);
System.out.println(array[0]);//1

当传入一个原生数据类型数组时，Arrays.asList() 的真正得到的参数就不是数组中的元素，而是数组对象本身！此时 List 的唯一元素就是这个数组，这也就解释了上面的代码。

我们使用包装类型数组就可以解决这个问题。

Integer[] myArray = {1, 2, 3};

2、使用集合的修改方法: add()、remove()、clear()会抛出异常。

List myList = Arrays.asList(1, 2, 3);
myList.add(4);//运行时报错：UnsupportedOperationException
myList.remove(1);//运行时报错：UnsupportedOperationException
myList.clear();//运行时报错：UnsupportedOperationException

Arrays.asList() 方法返回的并不是 java.util.ArrayList ，而是 java.util.Arrays 的一个内部类,这个内部类并没有实现集合的修改方法或者说并没有重写这些方法。

List myList = Arrays.asList(1, 2, 3);
System.out.println(myList.getClass());//class java.util.Arrays$ArrayList

下图是 java.util.Arrays$ArrayList 的简易源码，我们可以看到这个类重写的方法有哪些。

  private static class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements RandomAccess, java.io.Serializable
    {
        ...

        @Override
        public E get(int index) {
          ...
        }

        @Override
        public E set(int index, E element) {
          ...
        }

        @Override
        public int indexOf(Object o) {
          ...
        }

        @Override
        public boolean contains(Object o) {
           ...
        }

        @Override
        public void forEach(Consumer<? super E> action) {
          ...
        }

        @Override
        public void replaceAll(UnaryOperator<E> operator) {
          ...
        }

        @Override
        public void sort(Comparator<? super E> c) {
          ...
        }
    }

我们再看一下java.util.AbstractList的 add/remove/clear 方法就知道为什么会抛出 UnsupportedOperationException 了。

public E remove(int index) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}
public boolean add(E e) {
    add(size(), e);
    return true;
}
public void add(int index, E element) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

public void clear() {
    removeRange(0, size());
}
protected void removeRange(int fromIndex, int toIndex) {
    ListIterator<E> it = listIterator(fromIndex);
    for (int i=0, n=toIndex-fromIndex; i<n; i++) {
        it.next();
        it.remove();
    }
}

那我们如何正确的将数组转换为 ArrayList ?

1、手动实现工具类

//JDK1.5+
static <T> List<T> arrayToList(final T[] array) {
  final List<T> l = new ArrayList<T>(array.length);

  for (final T s : array) {
    l.add(s);
  }
  return l;
}


Integer [] myArray = { 1, 2, 3 };
System.out.println(arrayToList(myArray).getClass());//class java.util.ArrayList

2、最简便的方法

List list = new ArrayList<>(Arrays.asList("a", "b", "c"))

3、使用 Java8 的 Stream(推荐)

Integer [] myArray = { 1, 2, 3 };
List myList = Arrays.stream(myArray).collect(Collectors.toList());
//基本类型也可以实现转换（依赖boxed的装箱操作）
int [] myArray2 = { 1, 2, 3 };
List myList = Arrays.stream(myArray2).boxed().collect(Collectors.toList());

4、使用 Guava

对于不可变集合，你可以使用ImmutableList类及其of()与copyOf()工厂方法：（参数不能为空）

List<String> il = ImmutableList.of("string", "elements");  // from varargs
List<String> il = ImmutableList.copyOf(aStringArray);      // from array

对于可变集合，你可以使用Lists类及其newArrayList()工厂方法：

List<String> l1 = Lists.newArrayList(anotherListOrCollection);    // from collection
List<String> l2 = Lists.newArrayList(aStringArray);               // from array
List<String> l3 = Lists.newArrayList("or", "string", "elements"); // from varargs

5、使用 Apache Commons Collections

List<String> list = new ArrayList<String>();
CollectionUtils.addAll(list, str);

6、 使用 Java9 的 List.of()方法

Integer[] array = {1, 2, 3};
List<Integer> list = List.of(array);