Java集合中List,Set以及Map等集合体系详解(史上最全)

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概述:

• List , Set, Map都是接口，前两个继承至Collection接口，Map为独立接口
• Set下有HashSet，LinkedHashSet，TreeSet
• List下有ArrayList，Vector，LinkedList
• Map下有Hashtable，LinkedHashMap，HashMap，TreeMap
• Collection接口下还有个Queue接口，有PriorityQueue类

注意:

• Queue接口与List、Set同一级别，都是继承了Collection接口。
  看图你会发现,LinkedList既可以实现Queue接口,也可以实现List接口.只不过呢, LinkedList实现了Queue接口。Queue接口窄化了对LinkedList的方法的访问权限（即在方法中的参数类型如果是Queue时，就完全只能访问Queue接口所定义的方法 了，而不能直接访问 LinkedList的非Queue的方法），以使得只有恰当的方法才可以使用。

• SortedSet是个接口，它里面的（只有TreeSet这一个实现可用）中的元素一定是有序的。

总结:

Connection接口:

— List 有序,可重复

• ArrayList
  优点: 底层数据结构是数组，查询快，增删慢。
  缺点: 线程不安全，效率高
• Vector
  优点: 底层数据结构是数组，查询快，增删慢。
  缺点: 线程安全，效率低
• LinkedList
  优点: 底层数据结构是链表，查询慢，增删快。
  缺点: 线程不安全，效率高

—Set 无序,唯一

• HashSet
  底层数据结构是哈希表。(无序,唯一)
  如何来保证元素唯一性?
  1.依赖两个方法：hashCode()和equals()

• LinkedHashSet
  底层数据结构是链表和哈希表。(FIFO插入有序,唯一)
  1.由链表保证元素有序
  2.由哈希表保证元素唯一

• TreeSet
  底层数据结构是红黑树。(唯一，有序)
  1. 如何保证元素排序的呢?
  自然排序
  比较器排序
  2.如何保证元素唯一性的呢?
  根据比较的返回值是否是0来决定

针对Collection集合我们到底使用谁呢?(掌握)

唯一吗?

是：Set

排序吗?

是：TreeSet或LinkedHashSet
否：HashSet
如果你知道是Set，但是不知道是哪个Set，就用HashSet。

否：List

要安全吗?

是：Vector
否：ArrayList或者LinkedList

查询多：ArrayList
增删多：LinkedList
如果你知道是List，但是不知道是哪个List，就用ArrayList。

如果你知道是Collection集合，但是不知道使用谁，就用ArrayList。
如果你知道用集合，就用ArrayList。

说完了Collection,来简单说一下Map.

Map接口:

上图:

Map接口有三个比较重要的实现类，分别是HashMap、TreeMap和HashTable。

• TreeMap是有序的，HashMap和HashTable是无序的。
• Hashtable的方法是同步的，HashMap的方法不是同步的。这是两者最主要的区别。

这就意味着:

• Hashtable是线程安全的，HashMap不是线程安全的。
• HashMap效率较高，Hashtable效率较低。
  如果对同步性或与遗留代码的兼容性没有任何要求，建议使用HashMap。 查看Hashtable的源代码就可以发现，除构造函数外，Hashtable的所有 public 方法声明中都有 synchronized关键字，而HashMap的源码中则没有。
• Hashtable不允许null值，HashMap允许null值（key和value都允许）
• 父类不同：Hashtable的父类是Dictionary，HashMap的父类是AbstractMap

重点问题重点分析:

(一).TreeSet, LinkedHashSet and HashSet 的区别

1. 介绍

• TreeSet, LinkedHashSet and HashSet 在java中都是实现Set的数据结构

• TreeSet的主要功能用于排序
• LinkedHashSet的主要功能用于保证FIFO即有序的集合(先进先出)
• HashSet只是通用的存储数据的集合

2. 相同点

• Duplicates elements: 因为三者都实现Set interface，所以三者都不包含duplicate elements
• Thread safety: 三者都不是线程安全的，如果要使用线程安全可以Collections.synchronizedSet()

3. 不同点

• Performance and Speed: HashSet插入数据最快，其次LinkHashSet，最慢的是TreeSet因为内部实现排序

• Ordering: HashSet不保证有序，LinkHashSet保证FIFO即按插入顺序排序，TreeSet安装内部实现排序，也可以自定义排序规则
• null:HashSet和LinkHashSet允许存在null数据，但是TreeSet中插入null数据时会报NullPointerException

4. 代码比较

  public static void main(String args[]) {
        HashSet<String> hashSet = new HashSet<>();
        LinkedHashSet<String> linkedHashSet = new LinkedHashSet<>();
        TreeSet<String> treeSet = new TreeSet<>();

        for (String data : Arrays.asList("B", "E", "D", "C", "A")) {
            hashSet.add(data);
            linkedHashSet.add(data);
            treeSet.add(data);
        }

        //不保证有序
        System.out.println("Ordering in HashSet :" + hashSet);

        //FIFO保证安装插入顺序排序
        System.out.println("Order of element in LinkedHashSet :" + linkedHashSet);

        //内部实现排序
        System.out.println("Order of objects in TreeSet :" + treeSet);


    }

运行结果:
Ordering in HashSet :[A, B, C, D, E] (无顺序)
Order of element in LinkedHashSet :[B, E, D, C, A] (FIFO插入有序)
Order of objects in TreeSet :[A, B, C, D, E] (排序)

(二).TreeSet的两种排序方式比较

1.排序的引入(以基本数据类型的排序为例)

由于TreeSet可以实现对元素按照某种规则进行排序，例如下面的例子

public class MyClass {

    public static void main(String[] args) {
        // 创建集合对象
        // 自然顺序进行排序
        TreeSet<Integer> ts = new TreeSet<Integer>();

        // 创建元素并添加
        // 20,18,23,22,17,24,19,18,24
        ts.add(20);
        ts.add(18);
        ts.add(23);
        ts.add(22);
        ts.add(17);
        ts.add(24);
        ts.add(19);
        ts.add(18);
        ts.add(24);

        // 遍历
        for (Integer i : ts) {
            System.out.println(i);
        }
    }
}

运行结果:
17
18
19
20
22
23
24

2.如果是引用数据类型呢,比如自定义对象,又该如何排序呢?

测试类:

public class MyClass {
    public static void main(String[] args) {
        TreeSet<Student> ts=new TreeSet<Student>();
        //创建元素对象
        Student s1=new Student("zhangsan",20);
        Student s2=new Student("lis",22);
        Student s3=new Student("wangwu",24);
        Student s4=new Student("chenliu",26);
        Student s5=new Student("zhangsan",22);
        Student s6=new Student("qianqi",24);

        //将元素对象添加到集合对象中
        ts.add(s1);
        ts.add(s2);
        ts.add(s3);
        ts.add(s4);
        ts.add(s5);
        ts.add(s6);

        //遍历
        for(Student s:ts){
            System.out.println(s.getName()+"-----------"+s.getAge());
        }
    }
}

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Student.java:

public class Student {
    private String name;
    private int age;

    public Student() {
        super();
        // TODO Auto-generated constructor stub
    }

    public Student(String name, int age) {
        super();
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }
}

结果报错:

原因分析：
由于不知道该安照那一中排序方式排序，所以会报错。
解决方法：
1.自然排序
2.比较器排序

(1).自然排序

自然排序要进行一下操作：
1.Student类中实现 Comparable接口
2.重写Comparable接口中的Compareto方法

compareTo(T o)  比较此对象与指定对象的顺序。

• 1

public class Student implements Comparable<Student>{
    private String name;
    private int age;

    public Student() {
        super();
        // TODO Auto-generated constructor stub
    }

    public Student(String name, int age) {
        super();
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

    @Override
    public int compareTo(Student s) {
        //return -1; //-1表示放在红黑树的左边,即逆序输出
        //return 1;  //1表示放在红黑树的右边，即顺序输出
        //return o;  //表示元素相同，仅存放第一个元素
        //主要条件 姓名的长度,如果姓名长度小的就放在左子树，否则放在右子树
        int num=this.name.length()-s.name.length();
        //姓名的长度相同，不代表内容相同,如果按字典顺序此 String 对象位于参数字符串之前，则比较结果为一个负整数。
        //如果按字典顺序此 String 对象位于参数字符串之后，则比较结果为一个正整数。
        //如果这两个字符串相等，则结果为 0
        int num1=num==0?this.name.compareTo(s.name):num;
        //姓名的长度和内容相同，不代表年龄相同，所以还要判断年龄
        int num2=num1==0?this.age-s.age:num1;
        return num2;
    }
}

运行结果:

lis-----------22
qianqi-----------24
wangwu-----------24
chenliu-----------26
zhangsan-----------20
zhangsan-----------22

(2).比较器排序

比较器排序步骤：
1.单独创建一个比较类，这里以MyComparator为例，并且要让其继承Comparator接口
2.重写Comparator接口中的Compare方法

compare(T o1,T o2)      比较用来排序的两个参数。

• 1

3.在主类中使用下面的 构造方法

TreeSet(Comparator<? superE> comparator)
          构造一个新的空 TreeSet，它根据指定比较器进行排序。

• 1
• 2

测试类:

public class MyClass {

    public static void main(String[] args) {
        //创建集合对象
        //TreeSet(Comparator<? super E> comparator) 构造一个新的空 TreeSet，它根据指定比较器进行排序。
        TreeSet<Student> ts=new TreeSet<Student>(new MyComparator());

        //创建元素对象
        Student s1=new Student("zhangsan",20);
        Student s2=new Student("lis",22);
        Student s3=new Student("wangwu",24);
        Student s4=new Student("chenliu",26);
        Student s5=new Student("zhangsan",22);
        Student s6=new Student("qianqi",24);

        //将元素对象添加到集合对象中
        ts.add(s1);
        ts.add(s2);
        ts.add(s3);
        ts.add(s4);
        ts.add(s5);
        ts.add(s6);

        //遍历
        for(Student s:ts){
            System.out.println(s.getName()+"-----------"+s.getAge());
        }
    }
}

Student.java:

public class Student {
    private String name;
    private int age;

    public Student() {
        super();
        // TODO Auto-generated constructor stub
    }

    public Student(String name, int age) {
        super();
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

}

MyComparator类：

public class MyComparator implements Comparator<Student> {

    @Override
    public int compare(Student s1,Student s2) {
        // 姓名长度
        int num = s1.getName().length() - s2.getName().length();
        // 姓名内容
        int num2 = num == 0 ? s1.getName().compareTo(s2.getName()) : num;
        // 年龄
        int num3 = num2 == 0 ? s1.getAge() - s2.getAge() : num2;
        return num3;
    }

}

运行结果:

lis-----------22
qianqi-----------24
wangwu-----------24
chenliu-----------26
zhangsan-----------20
zhangsan-----------22

(三). 性能测试

对象类:

class Dog implements Comparable<Dog> {
    int size;
    public Dog(int s) {
        size = s;
    }
    public String toString() {
        return size + "";
    }
    @Override
    public int compareTo(Dog o) {
       //数值大小比较
        return size - o.size;
    }
}

主类:

public class MyClass {

    public static void main(String[] args) {

        Random r = new Random();
        HashSet<Dog> hashSet = new HashSet<Dog>();
        TreeSet<Dog> treeSet = new TreeSet<Dog>();
        LinkedHashSet<Dog> linkedSet = new LinkedHashSet<Dog>();

        // start time
        long startTime = System.nanoTime();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            int x = r.nextInt(1000 - 10) + 10;
            hashSet.add(new Dog(x));
        }

        // end time
        long endTime = System.nanoTime();
        long duration = endTime - startTime;
        System.out.println("HashSet: " + duration);

        // start time
        startTime = System.nanoTime();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            int x = r.nextInt(1000 - 10) + 10;
            treeSet.add(new Dog(x));
        }
        // end time
        endTime = System.nanoTime();
        duration = endTime - startTime;
        System.out.println("TreeSet: " + duration);

        // start time
        startTime = System.nanoTime();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            int x = r.nextInt(1000 - 10) + 10;
            linkedSet.add(new Dog(x));
        }

        // end time
        endTime = System.nanoTime();
        duration = endTime - startTime;
        System.out.println("LinkedHashSet: " + duration);
    }

}

运行结果:

HashSet: 1544313
TreeSet: 2066049
LinkedHashSet: 629826
虽然测试不够准确,但能反映得出，TreeSet要慢得多,因为它是有序的。

数据结构解析-HashTable

概要

HashTable也是散列表的一种实现，我们在上一篇解析了HashMap,在这里我们与HashMap做个对比，让你能清晰的了解两者的区别:

散列表	实现方式	数据安全	数据安全实现方式	keyvalue是否可为Null
HashMap	数组+单向链表+红黑树	不安全	无	可为Null
HashTable	数组+单向链表	安全	Synchronized	不可为 Null

HashTable

1.继承关系

public class Hashtable<K,V>
    extends Dictionary<K,V>
    implements Map<K,V>, Cloneable, java.io.Serializable 

2.常量&构造方法

    /**
     * The hash table data.
     */
    private transient HashtableEntry<?,?>[] table;

    //HashTable条目数总量
    private transient int count;

    //下次扩容量
    private int threshold;

    //负载因子
    private float loadFactor;

    //修改次数
    private transient int modCount = 0;

    //默认的构造函数
    public Hashtable() {
        this(11, 0.75f);
    }
    //指定容量大小
    public Hashtable(int initialCapacity) {
        this(initialCapacity, 0.75f);
    }
     //指定容量大小和负载因子大小
    public Hashtable(int initialCapacity, float loadFactor) {
        //指定的容量大小不可以小于0,否则将抛出IllegalArgumentException异常
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                               initialCapacity);
        ////指定的负载因子不可以小于0或为Null，若判定成立则抛出IllegalArgumentException异常
        if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Load: "+loadFactor);
       //若指定的容量大小为0,则赋为1 即容量初始大小最小为 1
        if (initialCapacity==0)
            initialCapacity = 1;
        this.loadFactor = loadFactor;
        //声明table实例
        table = new HashtableEntry<?,?>[initialCapacity];
        //下次扩容量长度
        threshold = (int)Math.min(initialCapacity, MAX_ARRAY_SIZE + 1);
    }
     //传入一个Map集合,将Map集合中元素Map.Entry全部添加进HashTable实例中
    public Hashtable(Map<? extends K, ? extends V> t) {
        this(Math.max(2*t.size(), 11), 0.75f);
        putAll(t);
    }

3.HashtableEntry单向链表的实现

private static class HashtableEntry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    // END Android-changed: Renamed Entry -> HashtableEntry.
        final int hash;
        final K key;
        V value;
        HashtableEntry<K,V> next;
         //构造函数
        protected HashtableEntry(int hash, K key, V value, HashtableEntry<K,V> next) {
            this.hash = hash;
            this.key =  key;
            this.value = value;
            this.next = next;
        }

        @SuppressWarnings("unchecked")
        protected Object clone() {
            return new HashtableEntry<>(hash, key, value,
                                  (next==null ? null : (HashtableEntry<K,V>) next.clone()));
        }

        // Map.Entry Ops
         //获取key
        public K getKey() {
            return key;
        }
         //获取value
        public V getValue() {
            return value;
        }
        //设置value
        public V setValue(V value) {
            if (value == null)
                throw new NullPointerException();

            V oldValue = this.value;
            this.value = value;
            return oldValue;
        }
         //equals对比
        public boolean equals(Object o) {
            if (!(o instanceof Map.Entry))
                return false;
            Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>)o;

            return (key==null ? e.getKey()==null : key.equals(e.getKey())) &&
               (value==null ? e.getValue()==null : value.equals(e.getValue()));
        }
        //获取hash值
        public int hashCode() {
            return hash ^ Objects.hashCode(value);
        }

        public String toString() {
            return key.toString()+"="+value.toString();
        }
    }

4.Hashtable put函数源码实现

 //这里使用Synchronized锁方法的方式来保证put方法的在多线程下的数据安全
public synchronized V put(K key, V value) {
        // 确定value值不可为null
        if (value == null) {
            throw new NullPointerException();
        }

        // 确定key已经在table中存在 
        HashtableEntry<?,?> tab[] = table;
        int hash = key.hashCode();
        int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
        @SuppressWarnings("unchecked")
        HashtableEntry<K,V> entry = (HashtableEntry<K,V>)tab[index];
        //通过for循环,查找符合条件的key，赋予新的Value
        for(; entry != null ; entry = entry.next) {
            if ((entry.hash == hash) && entry.key.equals(key)) {
                V old = entry.value;
                entry.value = value;
                return old;
            }
        }
        //添加新的Entry
        addEntry(hash, key, value, index);
        return null;
    }
private void addEntry(int hash, K key, V value, int index) {
        //修改次数+1
        modCount++;

        HashtableEntry<?,?> tab[] = table;
        //如果HashTable的子条目大小 大于 下次扩容大小
        if (count >= threshold) {
            // 如果超过阈值，则重新组织HashTable 即对HashTable进行扩容
            rehash();

            tab = table;
            hash = key.hashCode();
            index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
        }

        // Creates the new entry.
        @SuppressWarnings("unchecked")
        //将tab中索引位置下的Entry赋予 e
        HashtableEntry<K,V> e = (HashtableEntry<K,V>) tab[index];
        //创建新的HashtableEntry赋予tab中索引位置
        tab[index] = new HashtableEntry<>(hash, key, value, e);
        //table的条目树+1
        count++;
    }

梳理以下HashTable.put函数的执行过程

• 1.确定value值不可为null
• 2.若key已经在table中存在，通过for循环,查找符合条件的key，赋予新的Value 返回 旧值
• 3.若不存在则进行新增操作;
• 3.1 修改次数+1，判断HashTable是否需要扩容
• 3.2 获取tab索引下的Entry 赋给 e
• 3.3 创建一个HashTableEntry赋给tab指定索引位置
• 3.4 tab的条目数 +1

5.Hashtable get函数源码实现

    //这里使用Synchronized 锁方法的方式来保证get函数在多线程下的数据安全
    public synchronized V get(Object key) {
        HashtableEntry<?,?> tab[] = table;
        int hash = key.hashCode();
        int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
         //通过for循环来查找如何条件的value
        for (HashtableEntry<?,?> e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) {
            if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {
                return (V)e.value;
            }
        }
        return null;
    }

6.Hashtable rehash函数源码实现

 protected void rehash() {
        int oldCapacity = table.length;
        HashtableEntry<?,?>[] oldMap = table;

        // 旧表长度 二进制左移1位+1 当作新表的长度
        int newCapacity = (oldCapacity << 1) + 1;
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0) {
            if (oldCapacity == MAX_ARRAY_SIZE)
                // Keep running with MAX_ARRAY_SIZE buckets
                return;
            newCapacity = MAX_ARRAY_SIZE;
        }
        HashtableEntry<?,?>[] newMap = new HashtableEntry<?,?>[newCapacity];
        //修改次数+1
        modCount++;
        //记录下次扩容量
        threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE + 1);
        //将新表赋予当前操作表
        table = newMap;
        //通过for循环将旧表数据赋予新表中
        for (int i = oldCapacity ; i-- > 0 ;) {
            //通过for循环遍历老表索引下的节点数据,赋予新表中
            for (HashtableEntry<K,V> old = (HashtableEntry<K,V>)oldMap[i] ; old != null ; ) {
                HashtableEntry<K,V> e = old;
                 //将老表的下一个节点重新赋给old
                old = old.next;

                int index = (e.hash & 0x7FFFFFFF) % newCapacity;
                e.next = (HashtableEntry<K,V>)newMap[index];
                //赋予新表的指定索引位置
                newMap[index] = e;
            }
        }
    } 

结束分析

• 通过上面的分析我们可以清楚地知道,HashTable的put函数和get函数在多线程下可以保证数据安全,实现方式都是使用Synchronized 同步锁 锁方法的方式实现的,而相对于HashMap是没有采取任何方式保证数据安全,所以HashMap在多线程下无法保证数据安全.
• 也同样由于HashTable采用Synchronized同步锁 锁方法方式 锁住了整个table保证数据安全,在多线程竞争激烈的情况下效率非常低;因为线程访问同步时,其他线程访问HashTable的同步方法时可能会进入阻塞或轮询状态.

好了,至此完结.小伙伴有问题的话,请留言