Java 集合系列：Vector源码深入解析

2018-05-16 本文已影响76人程序员欧阳

概论

学完ArrayList和LinkedList之后，我们接着学习Vector。学习方式还是和之前一样，先对Vector有个整体认识，然后再学习它的源码；最后再通过实例来学会使用它。

第1部分 Vector介绍

Vector简介

Vector 是矢量队列，它是JDK1.0版本添加的类。继承于AbstractList，实现了List, RandomAccess, Cloneable这些接口。
Vector 继承了AbstractList，实现了List；所以，它是一个队列，支持相关的添加、删除、修改、遍历等功能。
Vector 实现了RandmoAccess接口，即提供了随机访问功能。RandmoAccess是java中用来被List实现，为List提供快速访问功能的。在Vector中，我们即可以通过元素的序号快速获取元素对象；这就是快速随机访问。
Vector 实现了Cloneable接口，即实现clone()函数。它能被克隆。

和ArrayList不同，Vector中的操作是线程安全的。

Vector的构造函数

Vector共有4个构造函数
// 默认构造函数
Vector()

// capacity是Vector的默认容量大小。当由于增加数据导致容量增加时，每次容量会增加一倍。
Vector(int capacity)

// capacity是Vector的默认容量大小，capacityIncrement是每次Vector容量增加时的增量值。
Vector(int capacity, int capacityIncrement)

// 创建一个包含collection的Vector
Vector(Collection<? extends E> collection)

Vector的API

synchronized boolean        add(E object)
             void           add(int location, E object)
synchronized boolean        addAll(Collection<? extends E> collection)
synchronized boolean        addAll(int location, Collection<? extends E> collection)
synchronized void           addElement(E object)
synchronized int            capacity()
             void           clear()
synchronized Object         clone()
             boolean        contains(Object object)
synchronized boolean        containsAll(Collection<?> collection)
synchronized void           copyInto(Object[] elements)
synchronized E              elementAt(int location)
             Enumeration<E> elements()
synchronized void           ensureCapacity(int minimumCapacity)
synchronized boolean        equals(Object object)
synchronized E              firstElement()
             E              get(int location)
synchronized int            hashCode()
synchronized int            indexOf(Object object, int location)
             int            indexOf(Object object)
synchronized void           insertElementAt(E object, int location)
synchronized boolean        isEmpty()
synchronized E              lastElement()
synchronized int            lastIndexOf(Object object, int location)
synchronized int            lastIndexOf(Object object)
synchronized E              remove(int location)
             boolean        remove(Object object)
synchronized boolean        removeAll(Collection<?> collection)
synchronized void           removeAllElements()
synchronized boolean        removeElement(Object object)
synchronized void           removeElementAt(int location)
synchronized boolean        retainAll(Collection<?> collection)
synchronized E              set(int location, E object)
synchronized void           setElementAt(E object, int location)
synchronized void           setSize(int length)
synchronized int            size()
synchronized List<E>        subList(int start, int end)
synchronized <T> T[]        toArray(T[] contents)
synchronized Object[]       toArray()
synchronized String         toString()
synchronized void           trimToSize()

第2部分 Vector数据结构

Vector的继承关系

java.lang.Object
   ↳     java.util.AbstractCollection<E>
         ↳     java.util.AbstractList<E>
               ↳     java.util.Vector<E>

public class Vector<E>
    extends AbstractList<E>
    implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {}

Vector与Collection关系如下图：

这里写图片描述
Vector的数据结构和ArrayList差不多，它包含了3个成员变量：elementData , elementCount， capacityIncrement。

(01) elementData 是"Object[]类型的数组"，它保存了添加到Vector中的元素。elementData是个动态数组，如果初始化Vector时，没指定动态数组的>大小，则使用默认大小10。随着Vector中元素的增加，Vector的容量也会动态增长，capacityIncrement是与容量增长相关的增长系数，具体的增长方式，请参考源码分析中的ensureCapacity()函数。

(02) elementCount 是动态数组的实际大小。

(03) capacityIncrement 是动态数组的增长系数。如果在创建Vector时，指定了capacityIncrement的大小；则，每次当Vector中动态数组容量增加时>，增加的大小都是capacityIncrement。

第3部分 Vector源码解析(基于JDK1.6.0_45)

为了更了解Vector的原理，下面对Vector源码代码作出分析。

package java.util;

public class Vector<E>
    extends AbstractList<E>
    implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
   
    // 保存Vector中数据的数组
    protected Object[] elementData;

    // 实际数据的数量
    protected int elementCount;

    // 容量增长系数
    protected int capacityIncrement;

    // Vector的序列版本号
    private static final long serialVersionUID = -2767605614048989439L;

    // Vector构造函数。默认容量是10。
    public Vector() {
        this(10);
    }

    // 指定Vector容量大小的构造函数
    public Vector(int initialCapacity) {
        this(initialCapacity, 0);
    }

    // 指定Vector"容量大小"和"增长系数"的构造函数
    public Vector(int initialCapacity, int capacityIncrement) {
        super();
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                               initialCapacity);
        // 新建一个数组，数组容量是initialCapacity
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
        // 设置容量增长系数
        this.capacityIncrement = capacityIncrement;
    }

    // 指定集合的Vector构造函数。
    public Vector(Collection<? extends E> c) {
        // 获取“集合(c)”的数组，并将其赋值给elementData
        elementData = c.toArray();
        // 设置数组长度
        elementCount = elementData.length;
        // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
        if (elementData.getClass() != Object[].class)
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, elementCount, Object[].class);
    }

    // 将数组Vector的全部元素都拷贝到数组anArray中
    public synchronized void copyInto(Object[] anArray) {
        System.arraycopy(elementData, 0, anArray, 0, elementCount);
    }

    // 将当前容量值设为 =实际元素个数
    public synchronized void trimToSize() {
        modCount++;
        int oldCapacity = elementData.length;
        if (elementCount < oldCapacity) {
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, elementCount);
        }
    }

    // 确认“Vector容量”的帮助函数
    private void ensureCapacityHelper(int minCapacity) {
        int oldCapacity = elementData.length;
        // 当Vector的容量不足以容纳当前的全部元素，增加容量大小。
        // 若 容量增量系数>0(即capacityIncrement>0)，则将容量增大当capacityIncrement
        // 否则，将容量增大一倍。
        if (minCapacity > oldCapacity) {
            Object[] oldData = elementData;
            int newCapacity = (capacityIncrement > 0) ?
                (oldCapacity + capacityIncrement) : (oldCapacity * 2);
            if (newCapacity < minCapacity) {
                newCapacity = minCapacity;
            }
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
        }
    }

    // 确定Vector的容量。
    public synchronized void ensureCapacity(int minCapacity) {
        // 将Vector的改变统计数+1
        modCount++;
        ensureCapacityHelper(minCapacity);
    }

    // 设置容量值为 newSize
    public synchronized void setSize(int newSize) {
        modCount++;
        if (newSize > elementCount) {
            // 若 "newSize 大于 Vector容量"，则调整Vector的大小。
            ensureCapacityHelper(newSize);
        } else {
            // 若 "newSize 小于/等于 Vector容量"，则将newSize位置开始的元素都设置为null
            for (int i = newSize ; i < elementCount ; i++) {
                elementData[i] = null;
            }
        }
        elementCount = newSize;
    }

    // 返回“Vector的总的容量”
    public synchronized int capacity() {
        return elementData.length;
    }

    // 返回“Vector的实际大小”，即Vector中元素个数
    public synchronized int size() {
        return elementCount;
    }

    // 判断Vector是否为空
    public synchronized boolean isEmpty() {
        return elementCount == 0;
    }

    // 返回“Vector中全部元素对应的Enumeration”
    public Enumeration<E> elements() {
        // 通过匿名类实现Enumeration
        return new Enumeration<E>() {
            int count = 0;

            // 是否存在下一个元素
            public boolean hasMoreElements() {
                return count < elementCount;
            }

            // 获取下一个元素
            public E nextElement() {
                synchronized (Vector.this) {
                    if (count < elementCount) {
                        return (E)elementData[count++];
                    }
                }
                throw new NoSuchElementException("Vector Enumeration");
            }
        };
    }

    // 返回Vector中是否包含对象(o)
    public boolean contains(Object o) {
        return indexOf(o, 0) >= 0;
    }


    // 从index位置开始向后查找元素(o)。
    // 若找到，则返回元素的索引值；否则，返回-1
    public synchronized int indexOf(Object o, int index) {
        if (o == null) {
            // 若查找元素为null，则正向找出null元素，并返回它对应的序号
            for (int i = index ; i < elementCount ; i++)
            if (elementData[i]==null)
                return i;
        } else {
            // 若查找元素不为null，则正向找出该元素，并返回它对应的序号
            for (int i = index ; i < elementCount ; i++)
            if (o.equals(elementData[i]))
                return i;
        }
        return -1;
    }

    // 查找并返回元素(o)在Vector中的索引值
    public int indexOf(Object o) {
        return indexOf(o, 0);
    }

    // 从后向前查找元素(o)。并返回元素的索引
    public synchronized int lastIndexOf(Object o) {
        return lastIndexOf(o, elementCount-1);
    }

    // 从后向前查找元素(o)。开始位置是从前向后的第index个数；
    // 若找到，则返回元素的“索引值”；否则，返回-1。
    public synchronized int lastIndexOf(Object o, int index) {
        if (index >= elementCount)
            throw new IndexOutOfBoundsException(index + " >= "+ elementCount);

        if (o == null) {
            // 若查找元素为null，则反向找出null元素，并返回它对应的序号
            for (int i = index; i >= 0; i--)
            if (elementData[i]==null)
                return i;
        } else {
            // 若查找元素不为null，则反向找出该元素，并返回它对应的序号
            for (int i = index; i >= 0; i--)
            if (o.equals(elementData[i]))
                return i;
        }
        return -1;
    }

    // 返回Vector中index位置的元素。
    // 若index月结，则抛出异常
    public synchronized E elementAt(int index) {
        if (index >= elementCount) {
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index + " >= " + elementCount);
        }

        return (E)elementData[index];
    }

    // 获取Vector中的第一个元素。
    // 若失败，则抛出异常！
    public synchronized E firstElement() {
        if (elementCount == 0) {
            throw new NoSuchElementException();
        }
        return (E)elementData[0];
    }

    // 获取Vector中的最后一个元素。
    // 若失败，则抛出异常！
    public synchronized E lastElement() {
        if (elementCount == 0) {
            throw new NoSuchElementException();
        }
        return (E)elementData[elementCount - 1];
    }

    // 设置index位置的元素值为obj
    public synchronized void setElementAt(E obj, int index) {
        if (index >= elementCount) {
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index + " >= " +
                                 elementCount);
        }
        elementData[index] = obj;
    }

    // 删除index位置的元素
    public synchronized void removeElementAt(int index) {
        modCount++;
        if (index >= elementCount) {
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index + " >= " +
                                 elementCount);
        } else if (index < 0) {
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
        }

        int j = elementCount - index - 1;
        if (j > 0) {
            System.arraycopy(elementData, index + 1, elementData, index, j);
        }
        elementCount--;
        elementData[elementCount] = null; /* to let gc do its work */
    }

    // 在index位置处插入元素(obj)
    public synchronized void insertElementAt(E obj, int index) {
        modCount++;
        if (index > elementCount) {
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index
                                 + " > " + elementCount);
        }
        ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, elementCount - index);
        elementData[index] = obj;
        elementCount++;
    }

    // 将“元素obj”添加到Vector末尾
    public synchronized void addElement(E obj) {
        modCount++;
        ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
        elementData[elementCount++] = obj;
    }

    // 在Vector中查找并删除元素obj。
    // 成功的话，返回true；否则，返回false。
    public synchronized boolean removeElement(Object obj) {
        modCount++;
        int i = indexOf(obj);
        if (i >= 0) {
            removeElementAt(i);
            return true;
        }
        return false;
    }

    // 删除Vector中的全部元素
    public synchronized void removeAllElements() {
        modCount++;
        // 将Vector中的全部元素设为null
        for (int i = 0; i < elementCount; i++)
            elementData[i] = null;

        elementCount = 0;
    }

    // 克隆函数
    public synchronized Object clone() {
        try {
            Vector<E> v = (Vector<E>) super.clone();
            // 将当前Vector的全部元素拷贝到v中
            v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, elementCount);
            v.modCount = 0;
            return v;
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            // this shouldn't happen, since we are Cloneable
            throw new InternalError();
        }
    }

    // 返回Object数组
    public synchronized Object[] toArray() {
        return Arrays.copyOf(elementData, elementCount);
    }

    // 返回Vector的模板数组。所谓模板数组，即可以将T设为任意的数据类型
    public synchronized <T> T[] toArray(T[] a) {
        // 若数组a的大小 < Vector的元素个数；
        // 则新建一个T[]数组，数组大小是“Vector的元素个数”，并将“Vector”全部拷贝到新数组中
        if (a.length < elementCount)
            return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, elementCount, a.getClass());

        // 若数组a的大小 >= Vector的元素个数；
        // 则将Vector的全部元素都拷贝到数组a中。
    System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, elementCount);

        if (a.length > elementCount)
            a[elementCount] = null;

        return a;
    }

    // 获取index位置的元素
    public synchronized E get(int index) {
        if (index >= elementCount)
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);

        return (E)elementData[index];
    }

    // 设置index位置的值为element。并返回index位置的原始值
    public synchronized E set(int index, E element) {
        if (index >= elementCount)
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);

        Object oldValue = elementData[index];
        elementData[index] = element;
        return (E)oldValue;
    }

    // 将“元素e”添加到Vector最后。
    public synchronized boolean add(E e) {
        modCount++;
        ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
        elementData[elementCount++] = e;
        return true;
    }

    // 删除Vector中的元素o
    public boolean remove(Object o) {
        return removeElement(o);
    }

    // 在index位置添加元素element
    public void add(int index, E element) {
        insertElementAt(element, index);
    }

    // 删除index位置的元素，并返回index位置的原始值
    public synchronized E remove(int index) {
        modCount++;
        if (index >= elementCount)
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
        Object oldValue = elementData[index];

        int numMoved = elementCount - index - 1;
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                     numMoved);
        elementData[--elementCount] = null; // Let gc do its work

        return (E)oldValue;
    }

    // 清空Vector
    public void clear() {
        removeAllElements();
    }

    // 返回Vector是否包含集合c
    public synchronized boolean containsAll(Collection<?> c) {
        return super.containsAll(c);
    }

    // 将集合c添加到Vector中
    public synchronized boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
        modCount++;
        Object[] a = c.toArray();
        int numNew = a.length;
        ensureCapacityHelper(elementCount + numNew);
        // 将集合c的全部元素拷贝到数组elementData中
        System.arraycopy(a, 0, elementData, elementCount, numNew);
        elementCount += numNew;
        return numNew != 0;
    }

    // 删除集合c的全部元素
    public synchronized boolean removeAll(Collection<?> c) {
        return super.removeAll(c);
    }

    // 删除“非集合c中的元素”
    public synchronized boolean retainAll(Collection<?> c)  {
        return super.retainAll(c);
    }

    // 从index位置开始，将集合c添加到Vector中
    public synchronized boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
        modCount++;
        if (index < 0 || index > elementCount)
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);

        Object[] a = c.toArray();
        int numNew = a.length;
        ensureCapacityHelper(elementCount + numNew);

        int numMoved = elementCount - index;
        if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew, numMoved);

        System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);
        elementCount += numNew;
        return numNew != 0;
    }

    // 返回两个对象是否相等
    public synchronized boolean equals(Object o) {
        return super.equals(o);
    }

    // 计算哈希值
    public synchronized int hashCode() {
        return super.hashCode();
    }

    // 调用父类的toString()
    public synchronized String toString() {
        return super.toString();
    }

    // 获取Vector中fromIndex(包括)到toIndex(不包括)的子集
    public synchronized List<E> subList(int fromIndex, int toIndex) {
        return Collections.synchronizedList(super.subList(fromIndex, toIndex), this);
    }

    // 删除Vector中fromIndex到toIndex的元素
    protected synchronized void removeRange(int fromIndex, int toIndex) {
        modCount++;
        int numMoved = elementCount - toIndex;
        System.arraycopy(elementData, toIndex, elementData, fromIndex,
                         numMoved);

        // Let gc do its work
        int newElementCount = elementCount - (toIndex-fromIndex);
        while (elementCount != newElementCount)
            elementData[--elementCount] = null;
    }

    // java.io.Serializable的写入函数
    private synchronized void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
        throws java.io.IOException {
        s.defaultWriteObject();
    }
}

总结：
(01) Vector实际上是通过一个数组去保存数据的。当我们构造Vecotr时；若使用默认构造函数，则Vector的默认容量大小是10。
(02) 当Vector容量不足以容纳全部元素时，Vector的容量会增加。若容量增加系数 >0，则将容量的值增加“容量增加系数”；否则，将容量大小增加一倍。
(03) Vector的克隆函数，即是将全部元素克隆到一个数组中。

第4部分 Vector遍历方式

Vector支持4种遍历方式。建议使用下面的第二种去遍历Vector，因为效率问题。

(01) 第一种，通过迭代器遍历。即通过Iterator去遍历。

Integer value = null;
int size = vec.size();
for (int i=0; i<size; i++) {
    value = (Integer)vec.get(i);        
}

(02) 第二种，随机访问，通过索引值去遍历。
由于Vector实现了RandomAccess接口，它支持通过索引值去随机访问元素。

Integer value = null;
int size = vec.size();
for (int i=0; i<size; i++) {
    value = (Integer)vec.get(i);        
}

(03) 第三种，另一种for循环。如下：

Integer value = null;
for (Integer integ:vec) {
    value = integ;
}

(04) 第四种，Enumeration遍历。如下：

Integer value = null;
Enumeration enu = vec.elements();
while (enu.hasMoreElements()) {
    value = (Integer)enu.nextElement();
}

测试这些遍历方式效率的代码如下：

import java.util.*;

/*
 * @desc Vector遍历方式和效率的测试程序。
 *
 * @author skywang
 */
public class VectorRandomAccessTest {

    public static void main(String[] args) {
        Vector vec= new Vector();
        for (int i=0; i<100000; i++)
            vec.add(i);
        iteratorThroughRandomAccess(vec) ;
        iteratorThroughIterator(vec) ;
        iteratorThroughFor2(vec) ;
        iteratorThroughEnumeration(vec) ;
    
    }

    private static void isRandomAccessSupported(List list) {
        if (list instanceof RandomAccess) {
            System.out.println("RandomAccess implemented!");
        } else {
            System.out.println("RandomAccess not implemented!");
        }

    }

    public static void iteratorThroughRandomAccess(List list) {

        long startTime;
        long endTime;
        startTime = System.currentTimeMillis();
        for (int i=0; i<list.size(); i++) {
            list.get(i);
        }
        endTime = System.currentTimeMillis();
        long interval = endTime - startTime;
        System.out.println("iteratorThroughRandomAccess：" + interval+" ms");
    }

    public static void iteratorThroughIterator(List list) {

        long startTime;
        long endTime;
        startTime = System.currentTimeMillis();
        for(Iterator iter = list.iterator(); iter.hasNext(); ) {
            iter.next();
        }
        endTime = System.currentTimeMillis();
        long interval = endTime - startTime;
        System.out.println("iteratorThroughIterator：" + interval+" ms");
    }


    public static void iteratorThroughFor2(List list) {

        long startTime;
        long endTime;
        startTime = System.currentTimeMillis();
        for(Object obj:list)
            ;
        endTime = System.currentTimeMillis();
        long interval = endTime - startTime;
        System.out.println("iteratorThroughFor2：" + interval+" ms");
    }

    public static void iteratorThroughEnumeration(Vector vec) {

        long startTime;
        long endTime;
        startTime = System.currentTimeMillis();
        for(Enumeration enu = vec.elements(); enu.hasMoreElements(); ) {
            enu.nextElement();
        }
        endTime = System.currentTimeMillis();
        long interval = endTime - startTime;
        System.out.println("iteratorThroughEnumeration：" + interval+" ms");
    }
}

运行结果：

iteratorThroughRandomAccess：6 ms
iteratorThroughIterator：9 ms
iteratorThroughFor2：8 ms
iteratorThroughEnumeration：7 ms

总结： 遍历Vector，使用索引的随机访问方式最快，使用迭代器最慢。

第5部分 Vector示例

下面通过示例学习如何使用Vector

import java.util.Vector;
import java.util.List;
import java.util.Iterator;
import java.util.Enumeration;

/**
 * @desc Vector测试函数：遍历Vector和常用API 
 *
 * @author skywang
 */
public class VectorTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 新建Vector
        Vector vec = new Vector();
            
        // 添加元素
        vec.add("1");
        vec.add("2");
        vec.add("3");
        vec.add("4");
        vec.add("5");

        // 设置第一个元素为100
        vec.set(0, "100");
        // 将“500”插入到第3个位置
        vec.add(2, "300");
        System.out.println("vec:"+vec);

        // (顺序查找)获取100的索引
        System.out.println("vec.indexOf(100):"+vec.indexOf("100"));
        // (倒序查找)获取100的索引
        System.out.println("vec.lastIndexOf(100):"+vec.lastIndexOf("100"));
        // 获取第一个元素
        System.out.println("vec.firstElement():"+vec.firstElement());
        // 获取第3个元素
        System.out.println("vec.elementAt(2):"+vec.elementAt(2));
        // 获取最后一个元素
        System.out.println("vec.lastElement():"+vec.lastElement());

        // 获取Vector的大小
        System.out.println("size:"+vec.size());
        // 获取Vector的总的容量
        System.out.println("capacity:"+vec.capacity());

        // 获取vector的“第2”到“第4”个元素
        System.out.println("vec 2 to 4:"+vec.subList(1, 4));

        // 通过Enumeration遍历Vector
        Enumeration enu = vec.elements();
        while(enu.hasMoreElements())
            System.out.println("nextElement():"+enu.nextElement());
            
        Vector retainVec = new Vector();
        retainVec.add("100");
        retainVec.add("300");
        // 获取“vec”中包含在“retainVec中的元素”的集合
        System.out.println("vec.retain():"+vec.retainAll(retainVec));
        System.out.println("vec:"+vec);
            
        // 获取vec对应的String数组
        String[] arr = (String[]) vec.toArray(new String[0]);
        for (String str:arr)
            System.out.println("str:"+str);

        // 清空Vector。clear()和removeAllElements()一样！
        vec.clear();
//        vec.removeAllElements();

        // 判断Vector是否为空
        System.out.println("vec.isEmpty():"+vec.isEmpty());
    }   
}