初探java集合框架图

作者：炸鸡可乐
原文出处：www.pzblog.cn

一、集合类简介

Java集合就像一种容器，可以把多个对象（实际上是对象的引用，但习惯上都称对象）“丢进”该容器中。从Java 5 增加了泛型以后，Java集合可以记住容器中对象的数据类型，使得编码更加简洁、健壮。

Java集合大致可以分为两大体系，一个是Collection，另一个是Map

• Collection ：主要由List、Set、Queue接口组成，List代表有序、重复的集合；其中Set代表无序、不可重复的集合；Java 5 又增加了Queue体系集合，代表一种队列集合实现。
• Map：则代表具有映射关系的键值对集合。

java.util.Collection下的接口和继承类关系简易结构图：

java.util.Map下的接口和继承类关系简易结构图：

其中，Java 集合框架中主要封装的是典型的数据结构和算法，如动态数组、双向链表、队列、栈、Set、Map 等。

将集合框架挖掘处理，可以分为以下几个部分
1) 数据结构
List列表、Queue队列、Deque双端队列、Set集合、Map映射
2) 比较器
Comparator比较器、Comparable 排序接口
3) 算法
Collections常用算法类、Arrays静态数组的排序、查找算法
4) 迭代器
Iterator通用迭代器、ListIterator针对 List 特化的迭代器

二、有序列表（List）

List集合的特点就是存取有序，可以存储重复的元素，可以用下标进行元素的操作

List主要实现类：ArrayList、LinkedList、Vector、Stack。

2.1、ArrayList

ArrayList是一个动态数组结构，支持随机存取，尾部插入删除方便，内部插入删除效率低（因为要移动数组元素）；如果内部数组容量不足则自动扩容，因此当数组很大时，效率较低。

2.2、LinkedList

LinkedList是一个双向链表结构，在任意位置插入删除都很方便，但是不支持随机取值，每次都只能从一端开始遍历，直到找到查询的对象，然后返回；不过，它不像 ArrayList 那样需要进行内存拷贝，因此相对来说效率较高，但是因为存在额外的前驱和后继节点指针，因此占用的内存比 ArrayList 多一些。

2.3、Vector

Vector也是一个动态数组结构，一个元老级别的类，早在jdk1.1就引入进来类，之后在jdk1.2里引进ArrayList，ArrayList大部分的方法和Vector比较相似，两者是不同的，Vector是允许同步访问的，Vector中的操作是线程安全的，但是效率低，而ArrayList所有的操作都是异步的，执行效率高，但不安全！

关于Vector，现在用的很少了，因为里面的get、set、add等方法都加了synchronized，所以，执行效率会比较低，如果需要在多线程中使用，可以采用下面语句创建ArrayList对象

List<Object> list =Collections.synchronizedList(new ArrayList<Object>());

也可以考虑使用复制容器 java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList进行操作，例如：

final CopyOnWriteArrayList<Object> cowList = new CopyOnWriteArrayList<String>(Object);

2.4、Stack

Stack是Vector的一个子类，本质也是一个动态数组结构，不同的是，它的数据结构是先进后出，取名叫栈！

关于Stack，现在用的也很少，因为有个ArrayDeque双端队列，可以替代Stack所有的功能，并且执行效率比它高！

三、集(Set)

Set集合的特点：元素不重复，存取无序，无下标；

Set主要实现类：HashSet、LinkedHashSet和TreeSet。

3.1、HashSet

HashSet底层是基于 HashMap 的k实现的，元素不可重复，特性同 HashMap。

3.2、LinkedHashSet

LinkedHashSet底层也是基于 LinkedHashMap 的k实现的，一样元素不可重复，特性同 LinkedHashMap。

3.3、TreeSet

同样的，TreeSet也是基于 TreeMap 的k实现的，同样元素不可重复，特性同 TreeMap；

Set集合的实现，基本都是基于Map中的键做文章，使用Map中键不能重复、无序的特性；所以，我们只需要重点关注Map的实现即可！

四、队列(Queue)

Queue是一个队列集合，队列通常是指“先进先出”（FIFO）的容器。新元素插入（offer）到队列的尾部，访问元素（poll）操作会返回队列头部的元素。通常，队列不允许随机访问队列中的元素。

Queue主要实现类：ArrayDeque、LinkedList、PriorityQueue。

4.1、ArrayDeque

ArrayQueue是一个基于数组实现的双端队列，可以想象，在队列中存在两个指针，一个指向头部，一个指向尾部，因此它具有“FIFO队列”及“栈”的方法特性。

既然是双端队列，那么既可以先进先出，也可以先进后出，以下是测试例子！

先进先出

public static void main(String[] args) {
                ArrayDeque<String> queue = new ArrayDeque<>();
        //入队
        queue.offer("AAA");
        queue.offer("BBB");
        queue.offer("CCC");
        System.out.println(queue);
        //获取但不出队
        System.out.println(queue.peek());
        System.out.println(queue);
        //出队
        System.out.println(queue.poll());
        System.out.println(queue);
}

输出结果：

[AAA, BBB, CCC]
AAA
[AAA, BBB, CCC]
AAA
[BBB, CCC]

先进后出

public static void main(String[] args) {
                ArrayDeque<String> stack = new ArrayDeque<>();
        //压栈,此时AAA在最下,CCC在最外
        stack.push("AAA");
        stack.push("BBB");
        stack.push("CCC");
        System.out.println(stack);
        //获取最后添加的元素,但不删除
        System.out.println(stack.peek());
        System.out.println(stack);
        //弹出最后添加的元素
        System.out.println(stack.pop());
        System.out.println(stack);
}

输出结果：

[CCC, BBB, AAA]
CCC
[CCC, BBB, AAA]
CCC
[BBB, AAA]

4.2、LinkedList

LinkedList是List接口的实现类，也是Deque的实现类，底层是一种双向链表的数据结构，在上面咱们也有所介绍，LinkedList可以根据索引来获取元素，增加或删除元素的效率较高，如果查找的话需要遍历整合集合，效率较低，LinkedList同时实现了stack、Queue、PriorityQueue的所有功能。

例子

public static void main(String[] args) {
                LinkedList<String> ll = new LinkedList<>();
        //入队
        ll.offer("AAA");
        //压栈
        ll.push("BBB");
        //双端的另一端入队
        ll.addFirst("NNN");
        ll.forEach(str -> System.out.println("遍历中:" + str));
        //获取队头
        System.out.println(ll.peekFirst());
        //获取队尾
        System.out.println(ll.peekLast());
        //弹栈
        System.out.println(ll.pop());
        System.out.println(ll);
        //双端的后端出列
        System.out.println(ll.pollLast());
        System.out.println(ll);
}

输出结果：

遍历中:NNN
遍历中:BBB
遍历中:AAA
NNN
AAA
NNN
[BBB, AAA]
AAA
[BBB]

4.3、PriorityQueue

PriorityQueue也是一个队列的实现类，此实现类中存储的元素排列并不是按照元素添加的顺序进行排列，而是内部会按元素的大小顺序进行排列，是一种能够自动排序的队列。

例子

public static void main(String[] args) {
        PriorityQueue<Integer> queue1 = new PriorityQueue<>(10);

        System.out.println("处理前的数据");
        Random rand = new Random();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
                Integer num = rand.nextInt(90) + 10;
                System.out.print(num + ", ");
            queue1.offer(num); // 随机两位数
        }

        System.out.println("\n处理后的数据");
        for (int i = 0; i < 10; i++) { // 默认是自然排序 [升序]
            System.out.print(queue1.poll() + ", ");
        }
}

输出结果：

处理前的数据
36, 23, 24, 11, 12, 26, 79, 96, 14, 73, 
处理后的数据
11, 12, 14, 23, 24, 26, 36, 73, 79, 96, 

五、映射表(Map)

Map是一个双列集合，其中保存的是键值对，键要求保持唯一性，值可以重复。

Map 主要实现类：HashMap、LinkedHashMap、TreeMap、IdentityHashMap、WeakHashMap、Hashtable、Properties。

5.1、HashMap

关于HashMap，相信大家都不陌生，继承自AbstractMap，key 不可重复，因为使用的是哈希表存储元素，所以输入的数据与输出的数据，顺序基本不一致，另外，HashMap最多只允许一条记录的 key 为 null。

5.2、LinkedHashMap

HashMap 的子类，内部使用链表数据结构来记录插入的顺序，使得输入的记录顺序和输出的记录顺序是相同的。LinkedHashMap与HashMap最大的不同处在于，LinkedHashMap输入的记录和输出的记录顺序是相同的！

5.3、TreeMap

能够把它保存的记录根据键排序，默认是按键值的升序排序，也可以指定排序的比较器，当用 Iterator 遍历时，得到的记录是排过序的；如需使用排序的映射，建议使用 TreeMap。TreeMap实际使用的比较少！

5.4、IdentityHashMap

继承自AbstractMap，与HashMap有些不同，在获取元素的时候，通过==代替equals ()来进行判断，比较的是内存地址。

get方法源码部分

public V get(Object key) {
        Object k = maskNull(key);
        Object[] tab = table;
        int len = tab.length;
        int i = hash(k, len);
        while (true) {
            Object item = tab[i];
            //用==比较k和元素是否相等
            if (item == k)
                return (V) tab[i + 1];
            if (item == null)
                return null;
            i = nextKeyIndex(i, len);
        }
}

5.5、WeakHashMap

WeakHashMap继承自AbstractMap，被称为缓存Map，向WeakHashMap中添加元素，再次通过键调用方法获取元素方法时，不一定获取到元素值，因为WeakHashMap 中的 Entry 可能随时被 GC 回收。

5.6、Hashtable

Hashtable，一个元老级的类，键值不能为空，与HashMap不同的是，方法都加了synchronized同步锁，是线程安全的，但是效率上，没有HashMap快！

同时，HashMap 是 HashTable 的轻量级实现，他们都完成了Map 接口，区别在于 HashMap 允许K和V为空，而HashTable不允许K和V为空，由于非线程安全，效率上可能高于 Hashtable。

如果需要在多线程环境下使用HashMap，可以使用如下的同步器来实现或者使用并发工具包中的ConcurrentHashMap类

Map<String, Object> map =Collections.synchronizedMap(new HashMap<>());

5.7、Properties

Properties继承自HashTable，Properties新增了load()和和store()方法，可以直接导入或者将映射写入文件，另外，Properties的键和值都是String类型。

六、比较器

Comparable和Comparator接口都是用来比较大小的，一般在TreeSet、TreeMap接口中使用的比较多，主要用于解决排序问题。

6.1、Comparable

Comparable：对实现它的每个类的对象进行整体排序

package java.lang;
import java.util.*;

public interface Comparable<T> {
    public int compareTo(T o);
}

若一个类实现了Comparable 接口，实现 Comparable 接口的类的对象的 List 列表 ( 或数组)可以通过 Collections.sort（或 Arrays.sort）进行排序。

此外，实现 Comparable 接口的类的对象 可以用作 “有序映射 ( 如 TreeMap)” 中的键或 “有序集合 (TreeSet)” 中的元素，而不需要指定比较器。

使用例子：

/**
  * 实体类Person实现Comparable接口
  */
public class Person implements Comparable<Person>{
    private int age;
    private String name;

    public Person(String name, int age){
        this.name = name;
        this.age = age;
    }
    
    @Override
    public int compareTo(Person o){
        return this.age-o.age;
    }
    
    @Override
    public String toString(){
        return name+":"+age;
    }
}

测试

public static void main(String[] args) {
        Person person1 = new Person("张三",18);
        Person person2 = new Person("李四",17);
        Person person3 = new Person("王五",19);

        List<Person> list = new ArrayList<>();
        list.add(person1);
        list.add(person2);
        list.add(person3);

        System.out.println(list);
        Collections.sort(list);
        System.out.println(list);
}

输出：

[张三:18, 李四:17, 王五:19]
[李四:17, 张三:18, 王五:19]

6.2、Comparator

Comparator：也是对实现它的每个类的对象进行排序

package java.util;
import ***;

public interface Comparator<T> {
    int compare(T o1, T o2);
    ......
}

如果我们的这个类Person无法修改或者没有继承Comparable接口，我们又要对其进行排序，Comparator就可以派上用场了。

将类Person实现的Comparable接口去掉

/**
  * 实体类Person
  */
public class Person {
    private int age;
    private String name;
    
    public int getAge() {
        return age;
    }

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

    public Person(String name, int age){
        this.name = name;
        this.age = age;
    }
    
    @Override
    public String toString(){
        return name+":"+age;
    }
}

测试类：

public static void main(String[] args) {
        Person person1 = new Person("张三",18);
        Person person2 = new Person("李四",17);
        Person person3 = new Person("王五",19);

        List<Person> list = new ArrayList<>();
        list.add(person1);
        list.add(person2);
        list.add(person3);

        System.out.println(list);
        Collections.sort(list, new Comparator<Person>() {
            @Override
            public int compare(Person o1, Person o2) {
                if(o1 == null || o2 == null){
                    return 0;
                }
                //o1比o2小,返回负数
                //o1等于o2,等于0
                //o1大于o2,返回正数
                return o1.getAge()-o2.getAge();
            }
        });
        System.out.println(list);
}

输出：

[张三:18, 李四:17, 王五:19]
[李四:17, 张三:18, 王五:19]

七、常用工具类

7.1、Collections类

java.util.Collections工具类为集合框架提供了很多有用的方法，这些方法都是静态的，在编程中可以直接调用。整个Collections工具类源码差不多有4000行，这里只针对一些典型的方法进行阐述。

7.1.1、addAll

addAll：向指定的集合c中加入特定的一些元素elements

public static <T> boolean addAll(Collection<? super T> c, T… elements)

7.1.2、binarySearch

binarySearch：利用二分法在指定的集合中查找元素

#集合元素T实现Comparable接口的方式，进行查询
public static <T> int binarySearch(List<? extends Comparable<? super T>> list, T key)

#元素以外部实现Comparator接口的方式，进行查询
public static <T> int binarySearch(List<? extends T> list, T key, Comparator<? super T> c)

7.1.3、sort

#集合元素T实现Comparable接口的方式，进行排序
public static <T extends Comparable<? super T>> void sort(List<T> list)

#元素以外部实现Comparator接口的方式，进行排序
public static <T> void sort(List<T> list, Comparator<? super T> c)

7.1.4、shuffle

shuffle：混排，随机打乱原来的顺序，它打乱在一个List中可能有的任何排列的踪迹。

#方法一
public static void shuffle(List<?> list)

#方法二，指定随机数访问
public static void shuffle(List<?> list, Random rnd)

7.1.5、reverse

reverse：集合排列反转

#直接反转集合的元素
public static void reverse(List<?> list)

#返回可以使集合反转的比较器Comparator
public static <T> Comparator<T> reverseOrder()

#集合的反转的反转，如果cmp不为null，返回cmp的反转的比较器，如果cmp为null，效果等同于第二个方法.
public static <T> Comparator<T> reverseOrder(Comparator<T> cmp)

7.1.6、synchronized系列

synchronized系列：确保所封装的集合线程安全（强同步）

#同步Collection接口下的实现类
public static <T> Collection<T> synchronizedCollection(Collection<T> c)

#同步SortedSet接口下的实现类
public static <T> SortedSet<T> synchronizedSortedSet(SortedSet<T> s)

#同步List接口下的实现类
public static <T> List<T> synchronizedList(List<T> list)

#同步Map接口下的实现类
public static <K,V> Map<K,V> synchronizedMap(Map<K,V> m)

#同步SortedMap接口下的实现类
public static <K,V> SortedMap<K,V> synchronizedSortedMap(SortedMap<K,V> m)

7.2、Arrays类

java.util.Arrays工具类也为集合框架提供了很多有用的方法，这些方法都是静态的，在编程中可以直接调用。整个Arrays工具类源码有3000多行，这里只针对一些典型的方法进行阐述。

7.2.1、asList

asList：将一个数组转变成一个List，准确来说是ArrayList

public static <T> List<T> asList(T... a) {
        return new ArrayList<>(a);
}

注意：这个List是定长的，企图添加或者删除数据都会报错java.lang.UnsupportedOperationException

7.2.2、sort

sort：对数组进行排序，适合byte,char,double,float,int,long,short等基本类型，还有Object类型

#基本数据类型，例子int类型数组
public static void sort(int[] a)

#Object类型数组
#如果使用Comparable进行排序，Object需要实现Comparable
#如果使用Comparator进行排序，可以使用外部比较方法实现
public static void sort(Object[] a)

7.2.3、binarySearch

binarySearch：通过二分查找法对已排序的数组进行查找。如果数组没有经过Arrays.sort排序，那么检索结果未知。

适合byte,char,double,float,int,long,short等基本类型，还有Object类型和泛型。

#基本数据类型，例子int类型数组，key为要查询的参数
public static int binarySearch(int[] a, int key)

#Object类型数组，key为要查询的参数
#如果使用Comparable进行排序，Object需要实现Comparable
#如果使用Comparator进行排序，可以使用外部比较方法实现
public static int binarySearch(Object[] a, Object key)

7.2.4、copyOf

copyOf：数组拷贝，底层采用System.arrayCopy（native方法）实现。

适合byte,char,double,float,int,long,short等基本类型，还有泛型数组。

#基本数据类型，例子int类型数组，newLength新数组长度
public static int[] copyOf(int[] original, int newLength)

#T为泛型数组，newLength新数组长度
public static <T> T[] copyOf(T[] original, int newLength)

7.2.5、copyOfRange

copyOfRange：数组拷贝，指定一定的范围，底层采用System.arrayCopy（native方法）实现。

适合byte,char,double,float,int,long,short等基本类型，还有泛型数组。

#基本数据类型，例子int类型数组，from：开始位置，to：结束位置
public static int[] copyOfRange(int[] original, int from, int to)

#T为泛型数组，from：开始位置，to：结束位置
public static <T> T[] copyOfRange(T[] original, int from, int to)

7.2.6、equals和deepEquals

equals：判断两个数组的每一个对应的元素是否相等（equals, 对于两个数组的元素a和a2有anull ? a2null : a.equals(a2)）

#基本数据类型，例子int类型数组，a为原数组，a2为目标数组
public static boolean equals(int[] a, int[] a2)

#Object数组，a为原数组，a2为目标数组
public static boolean equals(Object[] a, Object[] a2)

deepEquals：主要针对一个数组中的元素还是数组的情况(多维数组比较)

#Object数组，a1为原数组，a2为目标数组
public static boolean deepEquals(Object[] a1, Object[] a2)

7.2.7、toString和deepToString

toString：将数组转换成字符串，中间用逗号隔开

#基本数据类型，例子int类型数组，a为数组
public static String toString(int[] a)

#Object数组，a为数组
public static String toString(Object[] a)

deepToString：当数组中又包含数组，就不能单纯的利用Arrays.toString()了，使用此方法将数组转换成字符串

#Object数组，a为数组
public static String deepToString(Object[] a)

八、迭代器

JCF的迭代器（Iterator）为我们提供了遍历容器中元素的方法。只有容器本身清楚容器里元素的组织方式，因此迭代器只能通过容器本身得到。每个容器都会通过内部类的形式实现自己的迭代器。

ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();
list.add(new String("a1"));
list.add(new String("a2"));
list.add(new String("a3"));
Iterator<String> it = list.iterator();//得到迭代器
while(it.hasNext()){
    String obj = it.next();//访问元素
    System.out.println(obj);
}

JDK 1.5 引入了增强的for循环，简化了迭代容器时的写法

//使用增强for迭代
ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();
list.add(new String("a1"));
list.add(new String("a2"));
list.add(new String("a3"));
for(String obj : list){
    //enhanced for statement
    System.out.println(obj);
}

九、总结

以上，主要是对java集合的整体架构进行简单的介绍，如果有理解不当之处，欢迎指正。

十、参考

1、JDK1.7&JDK1.8 源码
2、Otokaze's Blog - Java Collection框架
3、CSDN - 朱小厮 - Comparable与Comparator浅析