疯狂Java讲义-Java集合

Java集合

本章思维导图

Java集合概述

为了保存数量不确定的数据，以及保存具有映射关系的数据（也被称为关联数组），Java提供了集合类。集合类主要负责保存、盛装其他数据，因此集合类也被称为容器类。

集合和数组不一样，数组元素既可以是基本类型的值，也可以是对象（实际上保存的是对象的引用变量）；而集合里只能保存对象（实际上只是保存对象的引用变量）。

Java的集合类主要由两个接口派生而出：Collection和Map，Collection和Map是Java集合框架的根接口，这两个接口又包含了一些子接口或实现类。

Set和List接口是Collection接口派生出的两个子接口，它们分别代表了无序集合和有序集合；Queue是java提供的队列实现，类似于List。

Map实现类用于保存具有映射关系的数据（关联数组）；Map保存的每项数据都是key-value对；Map里的key是不可重复的，key用于标识集合里的每项数据。

可以把Java所有集合分成三大类

• Set：把一个对象添加到Set集合时，Set集合无法记住添加这个元素的顺序，所以Set里的元素不能重复。
• List：非常像一个数组，它可以记住每次添加元素的顺序、且List的长度可变。
• Map：也像一个罐子，只是它里面的每项数据都由两个值组成。

Collection和Iterator接口

Collection体系图

Collection接口是List、Set和Queue接口的父接口，该接口里定义的方法既可以用于操作Set集合，也可用于操作List和Queue集合。

Collection接口里定义了如下操作集合元素的方法：

• boolean add(Object o):该方法用于向集合里添加一个元素。如果集合对象被添加操作改变了，则返回true。
• boolean addAll(Collection c):该方法把集合c里的所有元素添加到指定集合里。如果集合对象被添加操作改变了，则返回true。
• void clear():清除集合里的所有元素，将集合长度变为0.
• boolean contains(Object o):返回集合里是否包含指定元素。
• boolean containsAll(Collection c):返回集合里是否包含集合c里的所有元素。
• boolean isEmpty():返回集合是否为空。当集合长度为0时返回true，否则返回false。
• Iterator iterator():返回一个Iterator对象，用于遍历集合里的元素。
• boolean remove(Object o):删除集合中指定元素o，当集合中包含了一个或多个元素o时，该方法只删除第一个符合条件的元素，该方法将返回true。
• boolean removeAll(Collection c):从集合中删除集合c里包含的所有元素（相当于调用该方法的集合减集合c），如果删除了一个或一个以上的元素，则该方法返回true。
• boolean retainAll(Collection c):从集合中删除集合c里不包含的元素（相当于把调用该方法的集合变成该集合和集合c的交集），如果该操作改变了调用该方法的集合，则该方法返回true。
• int size():该方法返回集合里元素的个数。
• Object[] toArray():该方法把集合转换成一个数组，所有的集合元素变成对应的数组元素。

使用Lambda表达式遍历集合

Java8为Iterable接口新增了一个forEach(Consumer action)默认方法，该方法所需参数的类型是一个函数式接口，而Iterable接口是Collection接口的父接口，因此Collection集合也可直接调用该方法。

当程序调用Iterable的forEach(Consumer action)遍历集合时，程序会依次将集合元素传给Consumer的accept(T t)方法（该接口中唯一的抽象方法）。正因为Consumer是函数式接口，因此可以使用Lambda表达式来遍历集合元素。

使用Java8增强的Iterator遍历集合元素

Iterator接口也是Java集合框架的成员，但它与Collection系列、Map系列的集合不一样：Collection系列集合、Map系列集合主要用于盛装其他对象，而Iterator则主要用于遍历（即迭代访问）Collection集合中的元素，Iterator对象也被称为迭代器。

Iterator接口隐藏了各种Collection实现类的底层细节，向应用程序提供了遍历Collection集合元素的统一编程接口。

Iterator接口里定义了如下4个方法：

• boolean hasNext():如果被迭代的集合元素还没有被遍历完，则返回true。
• Object next():返回集合里的下一个元素。
• void remove():删除集合里的上一次next方法返回的元素。
• void forEachRemainning(Consumer action):这是Java8为Iterator新增的默认方法，该方法可使用Lambda表达式来遍历集合元素。

Iterator必须依附于Collection对象，若有一个Iterator对象，则必然有一个与之关联的Collection对象。

当使用Iterato迭代访问Collection集合时，Collection集合里的元素不能被改变，只能通过Iterator的remove()方法删除上一次next()方法返回的集合元素才可以；否则将会引发java.util.ConcurrentModificationException异常。

Iterator迭代器采用的是**快速失败（fail-fast）**机制，一旦在迭代过程中检测到该集合已经被修改（通常是程序中的其他线程修改），程序立即引发ConcurrentModificationException异常，而不是显示修改后的结果，这样可以避免共享资源而引发的潜在问题。

使用Lambda表达式遍历Iterator

Java8起为Iterator接口新增了一个forEachRemaining(Consumer action)方法，该方法所需的Consumer参数同样也是函数式接口。当程序调用Iterator的forEachRemaining(Consumer action)遍历集合元素时，程序会依次将集合元素传给Consumer的accept(T t)方法（该接口中唯一的抽象方法）。

使用foreach循环遍历集合元素

除可以使用Iterator接口迭代访问Collection集合里的元素之外，使用Java5提供的foreach循环迭代访问集合元素更加便捷。

与使用Ierator接口迭代访问集合元素类似的是，foreach循环中的迭代变量也不是集合元素本身，系统只是依次把集合元素的值赋给迭代变量。

同样，当使用foreach循环迭代访问集合元素时，该集合也不能被改变，否则将引发ConcurrentModificationException异常。

使用Java8新增的Predicate操作集合

Java8起为Collection集合新增了一个removeIf(Predicate filter)方法，该方法将会批量删除符合filter条件的所有元素。该方法需要一个Predicate谓词对象作为参数，Predicate也是函数式接口，因此可使用Lambda表达式作为参数。

使用Java8新增的Stream操作集合

Java8还新增了Stream、IntStream、LongStream、DoubleStream等流式API，这些API代表多个支持串行和并行聚集操作的元素。Stream是一个通用的流接口，而IntStream、LongStream、DoubleStream则代表元素为int、long、double的流。

Java8还为上面的每个流式API提供了对应的Builder，例如Stream.Builder、IntStream.Builder、LongStream.Builder、DoubleStream.Builder，开发者可以通过这些Builder来创建对应的流。

独立使用Stream的步骤如下：

1. 使用Stream或XxxStream的builder()类方法创建该Stream对应Builder。
2. 重复调用Builder的add()方法向该流中添加多个元素。
3. 调用Builder的build()方法获取对应的Stream。
4. 调用Stream的聚集方法。

Stream提供了大量的方法进行聚集操作，这些方法既可以是中间的（intermediate），也可以是末端的（terminal）。

中间方法：中间操作允许流保持打开状态，并允许直接调用后继方法。

末端方法：末端方法是对流的最终操作。当某个Stream执行末端方法后，该流将会被消耗且不可再用。

除此之外，关于流的方法好有如下两个特征：

• 有状态的方法：这种方法会给流增加一些新的属性，比如元素的唯一性、元素的最大数量、保证元素以排序的方式被处理等。有状态的方法往往需要更大的性能开销。
• 短路方法：短路方法可以尽早结束对流的操作，不必检查所有的元素。

Stream常用的中间方法：

• filter(Predicate predicate):过滤Stream中所有不符合predicate的元素。
• mapToXxx(ToXxxFunction mapper):使用ToXxxFunction对流中的元素执行一对一的转换，该方法返回新流中包含了ToXxxFunction转换生成的所有元素。
• peek(Consumer action):依次对每个元素执行一些操作，该方法返回的流与原有流包含相同的元素。该方法主要用于调试。
• distinct():该方法用于排序流中所有重复的元素（判断元素重复的标准是使用equals()比较返回true)。这是一个有状态的方法。
• sorted():该方法用于保证流中的元素在后继的访问中处于有序状态。这是一个有状态的方法。
• limit(long maxSize):该方法用于保证对该流的后继访问中最大允许访问的元素个数。这是一个有状态的、短路方法。

Stream常用的末端方法：

• forEach(Consumer action):遍历流中所有元素，对每个元素执行action。
• toArray():将流中所有元素转换为一个数组。
• reduce():该方法有三个重载的版本，都用于通过某种操作来合并流中的元素。
• max():返回流中所有元素的最大值。
• count():返回流中所有元素的数量。
• anyMatch(Predicate predicate):判断流中是否至少包含一个元素符合Predicate条件。
• allMatch(Predicate predicate):判断流中是否每个元素都符合Predicate条件。
• noneMatch(Predicate predicate):判断流中是否所有元素都不符合Predicate条件。
• findFirst():返回流中的第一个元素。
• findAny():返回流中的任意一个元素。

Java8允许使用流式API来操作集合，Collection接口提供了一个stream()默认方法，该方法返回该集合对应的流，接下来就即可通过流式API来操作集合元素。由于Stream可以对集合元素进行整体的聚集操作，因此Stream极大地丰富了集合的功能。

Set集合

Set集合与Collection基本相同，没有提供任何额外的方法。实际上Set就是Collection，只是行为略有不同（Set不允许包含重复元素）。

Set集合不允许包含相同的元素，如果试图把两个相同的元素加入同一个Set集合中，则添加操作失败，add()方法返回false，且新元素不会被加入。

HashSet类

HashSet是Set接口的典型实现，大多数时候使用Set集合时就是使用这个实现类。HashSet按Hash算法来存储集合中的元素，因此具有很好的存取和查找性能。

HashSet具有以下特点：

• 不能保证元素的排列顺序，顺序可能与添加顺序不同，顺序也有可能发生变化。
• HashSet是不同步的，如果多个线程同时访问一个HashSet，假设有两个或两个以上线程同时修改了HashSet集合时，则必须通过代码来保证其同步。
• 集合元素值可以是null。

当向HashSet集合中存入一个元素时，HashSet会调用该对象的hashCode()方法来得到该对象的hashCode值，然后根据该hashCode值决定该对象在HashSet中的存储位置。

如果两个元素通过equals()方法比较返回true，但它们的hashCode()方法返回值不相等，HashSet将会把它们存储到不同的位置，依然可以添加成功。

也就是说，HashSet集合判断两个元素相等的标准是两个对象通过equals()方法比较相等，并且两个对象的hashCode()方法返回值也相等。

当把一个对象放入HashSet中时，如果需要重写该对象对应类的equals()方法，则也应该重写其hashCode()方法。规则是：如果两个对象通过equals()方法比较返回true，这两个对象的hashCode值也应该相同。

如果两个对象通过equals()方法比较返回true，但这两个对象的hashCode()方法返回不同的hashCode值时，这将导致HashSet会把这两个对象保存在Hash表的不同位置，从而使两个对象都可以添加成功，这就与Set集合规则冲突了。

如果两个对象的hashCode()方法返回相同的hashCode值，但它们通过equals()方法比较返回false时将更麻烦：因为两个对象的hashCode值相同，HashSet将试图把他们保存到同一个位置，但又不行（否则将只剩下一个对象），所及实际上会在这个位置用链式结构来保存多个对象；而HashSet访问集合元素时也是根据元素的hashCode来快速定位的，如果HashSet中两个以上的元素具有相同的hashCode值，将会导致性能下降。

HashSet中每个能存储元素的槽位（slot）通常称为桶（bucket），如果有多个元素的hashCode值相同，但它们通过equals()方法比较返回false，就需要在一个“桶”里放多个元素，这样会导致性能下降。

重写hashCode()方法的基本规则：

• 在程序运行过程中，同一个对象多次调用hashCode()方法应该返回相同的值。
• 当两个对象通过equals()方法比较返回true时，这两个对象的hashCode()方法应该返回相等的值。
• 对象中用作equals()方法比较标准的实例变量，都应该用于计算hashCode值。

重写hashCode()方法的一般步骤：

1. 把对象内每个有意义的实例变量（即每个参与equals()方法比较标准的实例变量）计算出一个int类型的hashCode值。

• hashCode值的计算方式：
  • boolean:hashCode = (f ? 0 : 1);
  • (byte、short、char、int):hashCode = (int)f;
  • long:hashCode = (int)(f >>> 32));
  • float:hashCode = Float.floatToIntBits(f);
  • double:long l = Double.doubleToLongBits(f); hashCode = (int)(l ^ (l >>> 32));
  • 引用类型:hashCode = f.hashCode();

2. 用第1步计算出的多个hashCode值组合计算除一个hashCode值返回。

为了避免直接相加产生偶然相等（两个对象的f1、f2实例变量并不相等，但它们的hashCode的和恰好相等），可以通过为各实例变量的hashCode值乘以任意一个质数后再相加。

如果向HashSet中添加一个可变对象后，后面程序修改了该可变对象的实例变量，则可能导致它与集合中的其他元素相同，这就有可能导致HashSet中包含两个相同的对象。

当程序把可变对象添加到HashSet中之后，尽量不要去修改该集合元素中参与计算的hashCode()、equals()的实例变量，否则将会导致HashSet无法正确操作这些集合元素。

当向HashSet中添加可变对象时，必须十分小心。如果修改HashSet集合中的对象，有可能导致该对象与集合中的其他对象相等，从而导致HashSet无法精确访问该对象。

LinkedHashSet类

HashSet类还有一个子类LibkedHashSet，LinkedHashSet集合也是根据元素的hashCode值来决定元素的存储位置，但它同时使用链表维护元素的次序，当遍历LinkedHashSet集合里的元素时，LinkedHashSet将会按元素的添加顺序来访问集合里的元素。

LinkedHashSet需要维护元素的插入顺序，因此性能略低于HashSet性能，但在迭代访问Set里的全部元素时将有很好的性能，因此它以链表来维护内部顺序。

TreeSet类

TreeSet是SortedSet接口的实现类，TreeSet可以确保集合元素处于排序状态。与HashSet集合相比，TreeSet还提供了如下几个额外的方法：

• Comparator comparator():如果TreeSet采用了定制排序，则该方法返回定制排序所使用的Comparator；如果TreeSet采用了自然排序，则返回null。
• Object first():返回集合中的第一个元素。
• Object last():返回集合中的最后一个元素。
• Object lower(Object e):返回集合中位于指定元素之前的元素（即小于指定元素的最大元素，参考元素不需要是TreeSet集合里的元素）。
• Object higher(Object e):返回集合中位于指定元素之后的元素（即大于指定元素的最大元素，参考元素不需要是TreeSet集合里的元素）。
• SortedSet subSet(Object fromElement, Object toElement):返回此Set的子集合，范围从fromElement（包含）到toElement（不包含）。
• SortedSet headSet(Object toElement):返回此Set集合的子集，由小于toElement的元素组成。
• SortedSet tailSet(Object fromElement):返回此Set的子集，由大于或等于fromElement的元素组成。

TreeSet并不是根据元素的插入顺序进行排序，而是根据元素实际值的大小进行排序的。

HashSet集合采用hash算法来决定元素的存储位置不同，TreeSet采用红黑树的数据结构来存储集合的元素。

TreeSet支持两种排序方式：自然排序和定制排序。默认情况下，TreeSet采用自然排序。

自然排序

TreeSet会调用集合元素的compareTo(Object obj)方法来比较元素之间的大小关系，然后将集合元素升序排序。

Java提供了一个Comparable接口，该接口里定义了一个compareTo(Object obj)方法，该方法返回一个整数值，实现该接口的类必须实现该方法，实现了该接口的类的对象就可以比较大小。当一个对象obj1调用该方法与另一个对象obj2进行比较时，如果该方法返回0，则表明这两个对象相等；如果该方法返回一个正整数，则表明ob1大于obj2；如果该方法返回一个负整数，则表明ob1小于obj2。

Java的一些常用类已经实现的Comparable接口，并提供了比较大小的标准。下面是实现了Comparable接口的常用类：

• BigDecimal、BigInteger以及所有的数值型对应的包装类：按它们对应的数值大小进行比较。
• Character:按字符的UNICODE值进行比较。
• Boolean:true对应包装类实例大于false对应的包装类实例。
• String:按字符串中字符的UNICODE值进行比较。
• Date、Time：后面的时间、日期比前面的时间、日期大。

如果试图把一个对象添加到TreeSet时，该对象的类必须实现Comparable接口，否则程序将会抛出异常。

大部分类在实现compareTo(Object obj)方法时，都需要将被比较对象obj强制类型转换成相同类型，因为只有相同类的两个实例才会比较大小。

如果希望TreeSet能正常运作，TreeSet只能添加同一种类型的对象。

当把一个对象加入TreeSet集合中时，TreeSet调用该对象的compareTo(Object obj)方法与容器中的其他对象比较大小，然后根据红黑树结构找到它的存储位置。如果两个对象通过compareTo(Object obj)方法比较相等，新对象将无法添加到TreeSet集合中。

TreeSet集合判断两个对象唯一标准就是compareTo(Object obj)方法。

当需要把一个对象放入TreeSet中，重写该对象对应类的equals()方法时，应保证该方法与compareTo(Object obj)方法有一致的结果，其规则是：如果两个对象通过equals()方法比较返回true时，这两个对象通过compareTo(Object obj)方法比较应返回0。

当执行了删除元素代码成功后，TreeSet会对集合中的元素重新索引（不是重新排序），接下来就可以删除TreeSet中的所有元素了，包括那些被修改过实例变量的值。与HashSet类似的是，如果TreeSet中包含了可变对象，当可变对象的实例变量被修改时，TreeSet在处理这些对象时将会非常复杂，而且容易出错。

定制排序

TreeSet的自然排序是根据集合元素的大小，TreeSet将它们以升序排序。

如果需要实现定制排序，例如以降序排序，则可以通过Comparable接口的帮助。该接口里包含了一个int compare(T o1, T o2)方法，该方法用于比较o1和o2的大小：如果该方法返回正整数，则表明o1大于o2；如果该方法返回0，则表明o1等于o2；如果该方法返回负整数，则表明o1小于o2。

如果需要实现定制排序，则需要在创建TreeSet集合对象时，提供一个Comparator对象与该TreeSet集合关联，由该Comparator对象负责集合元素的排序逻辑。由于Comparator是一个函数式接口，因此可使用Lambda表达式来代替Comparator对象。

当通过Comparator对象（或Lambda表达式）来实现TreeSet的定制排序时，依然不可以向TreeSet中添加类型不同的对象，否则还会引发ClassCastException异常。使用定制排序时，TreeSet对集合元素排序不管集合元素本身的大小，而是由Comparator对象（或Lambda表达式）负责集合元素的排序规则。

TreeSet判断两个集合元素的相等的标准是：通过Comparator（或Lambda表达式）比较两个元素返回了0，这样TreeSet不会把第二个元素添加到集合中。

EnumSet类

EnumSet是一个转为枚举类设计的集合类，EnumSet中的所有元素都必须是指定枚举类型的枚举值，该枚举类型在创建EnumSet时显示或隐式地指定。EnumSet的集合元素也是有序的，EnumSet以枚举值在Enum类内定义顺序来决定集合元素的顺序。

EnumSet在内部以位向量的形式存储，这种存储形式非常紧凑、高效，因此EnumSet对象占用内存很小，而且运行效率很好。尤其是进行批量操作（如调用containsAll()和retainAll()方法）时，如果其参数也是EnumSet集合，则该批量操作的执行速度也非常快。

EnumSet集合不允许加入null元素，如果试图插入null元素，EnumSet将抛出NullPointerException异常。如果只是想判断EnumSet是否包含null元素或试图删除null元素都不会抛出异常，只是删除操作将返回false，因为没有任何null元素被删除。

EnumSet类没有暴露任何构造器来创建该类的实例，程序应该通过它提供的类方法来创建EnumSet对象。EnumSet类它提供了如下常用的类方法来创建EnumSet对象:

• EnumSet allOf(Class elementType)：创建一个包含指定枚举类里所有枚举值的EnumSet集合。
• EnumSet complementOf(EnumSet s)：创建一个其元素类型与指定EnumSet里元素类型相同的EnumSet集合，新EnumSet集合包含原EnumSet集合所不包含的、此枚举类剩下的枚举值（即新EnumSet集合和原EnumSet集合的集合元素加起来就是该枚举类的所有枚举值）。
• EnumSet copyOf(Collection c)：使用一个普通集合来创建EnumSet集合。
• EnumSet copyOf(EnumSet s)：创建一个与指定EnumSet具有相同元素类型、相同集合元素的EnumSet集合。
• EnumSet noneOf(Class elementType)：创建一个元素类型为指定枚举类型的空EnumSet。
• EnumSet Of(E first, E... rest)：创建一个包含一个或多个枚举值的EnumSet集合，传入的多个枚举值必须属于同一个枚举类。
• EnumSet range(E from, E to)：创建一个包含从from枚举值到to枚举值范围内所有枚举值的EnumSet集合。

当试图复制Collection集合里的元素来创建EnumSet集合时，必须保证Collection集合里的所有元素都是同一个枚举类的枚举值。

各Set实现类的性能分析

HashSet和TreeSet是Set的两个典型实现，到底如何选择HashSet和TreeSet？HashSet的性能总是比TreeSet好（特别是最常用的添加、查询元素等操作），因为TreeSet需要额外的红黑树算法来维护集合元素的次序。只有当需要一个保持排序的Set时，才应该使用TreeSet，否则都应该使用HashSet。

HashSet还有一个子类：LinkedHashSet，对于普通的插入、删除操作，LinkedHashSet比HashSet要略微慢一点，这是由维护链表所带来的额外开销造成的，但由于有了链表，遍历LinkedHashSet会更快。

EnumSet是所有Set实现类中性能最好的，但它只能保存同一个枚举类的枚举值作为集合元素。

Set的三个实现类HashSet、TreeSet和EnumSet都是线程不安全的。如果有多个线程同时访问一个Set集合，并且有超过一个线程修改了该Set集合，则必须手动保证该Set集合的同步性。通常可以通过Collection工具类的synchronizedSortedSet方法来“包装”该Set集合。此操作最好再创建时进行，以防止对Set集合的意外非同步访问。例如：SortedSet s = Collections.synchronizedSortedSet(new TreeSet(...));

List集合

List集合代表一个元素有序、可重复的集合，集合中每个元素都有其对应的顺序索引。List集合允许使用重复元素，可以通过索引来访问指定位置的集合元素。List集合默认按元素的添加顺序设置元素的索引。

Java8改进的List接口和ListIterator接口

List作为Collection接口的子接口，当然可以使用Collection接口里的全部方法。而且由于List是有序集合，因此List集合里增加了一些根据索引来操作集合元素的方法。

• void add(int index, Object element)：将元素element插入到List集合的index处。
• boolean addAll(int index, Collection c)：将集合c所包含的所有元素都插入到List集合的index处。
• Object get(int index)：返回集合index索引处的元素。
• int indexOf(Object o)：返回对象o在List集合中第一次出现的位置索引。
• int lastIndexOf(Object o)：返回对象o在List集合中最后一次出现的位置索引。
• Object remove(int index)：删除并返回index索引处的元素。
• Object set(int index, Object element)：将index索引处的元素替换成element对象，返回被替换的旧元素。
• List subList(int fromIndex, int toIndex)：返回从索引fromIndex（包含）到索引toIndex（不包含）处所有集合元素组成的子集合。

所有的List实现类都可以调用这些方法来操作集合元素。与Set集合相比，List增加了根据索引来插入、替换和删除集合元素的方法。除此之外，Java8还为List接口添加了如下两个默认方法。

• void replaceAll(UnaryOperator operator)：根据operator指定的计算规则重新设置List集合的所有元素。
• void sort(Comparator c)：根据Comparator参数对List集合的元素排序。

Lisi判断两个对象相等只要通过equals()方法比较返回true即可。

remove(new A());程序试图删除一个A对象，Lit将会调用该A对象的equals()方法依次与集合元素进行比较，如果该equals()方法以某个集合元素作为参数时返回true。

当调用List的set(int index, Object element)方法来改变List集合指定索引处的元素时，指定的索引必须是List集合的有效索引。set(int index, Object element)方法不会改变List集合的长度。

Java8为List集合增加了sort()和replaceAll()两个常用的默认方法，其中sort()方法需要一个Comparator对象来控制元素排序，程序可使用Lambda表达式来作为参数；而replaceAll()方法则需要一个UnaryOperator来替换所有集合元素，UnaryOperator也是一个函数式接口，因此也可使用Lambda表示作为参数。

与Set只提供了一个iterator()方法不同，List还额外提供了一个listIterator()方法，该方法返回一个ListIterator对象，ListIterator接口继承了Iterator接口，提供了专门操作List的方法。ListIterator接口在Iterator接口基础上增加了如下方法。

• boolean hasPrevious()：返回该迭代器关联的集合是否还有上一个元素。
• Object previous()：返回该迭代器的上一个元素。
• void add(Object o)：在指定位置插入一个元素。

拿ListIterator与普通的Iterator进行对比，不难发现ListIterator增加了向前迭代的功能（Iterator只能向后迭代），而且ListIterator还可通过add()方法向List集合中添加元素（Iterator只能删除元素）。

ArrayList和Vector实现类

ArrayList和Vector类都是基于数组实现的List类，所以ArrayList和Vector类封装了一个动态的、允许再分配的Object[]数组。ArrayList和Vector对象使用initialCapacity参数来设置该数组的长度，当向ArrayList或Vector中添加元素超出了该数组的长度时，它们的initialCapacity会自动增加。

当向ArrayList或Vector集合中添加大量元素时，可使用ensureCapacity(int minCapacity)方法一次性地增加initialCapacity。这可以减少重分配的次数，从而提高性能。

除此之外，ArrayList和Vector还提供了如下两个方法来重新分配Object[]数组。

• void ensureCapacity(int minCapasity)：将ArrayList或Vector集合的Object[]数组长度增加大于或等于minCapacity。
• void trimToSize()：调整ArrayList或Vector集合的Object[]数组长度为当前元素的个数。调用该方法可减少ArrayList或Vector集合对象占用的存储空间。

ArrayList和Vector的显著区别是：ArrayList是线程不安全的，当多个线程访问同一个ArrayList集合时，如果有超过一个线程修改了ArrayList集合，则程序必须手动保证该集合的同步性；但Vector集合则是线程安全的，无须程序保证该集合的同步性。因为Vector是线程安全的，所以Vector的性能比ArrayList的性能要低。实际上，即使需要保证List集合线程安全的，也同样不推荐使用Vector实现类。会有一个Collections工具类，它可以将一个ArrayList变成线程安全的。

Vector还提供了一个Stack子类，它用于模拟栈这种数据结构，“栈”通常是指后进先出（LIFO）的容器。最后“push”进栈的元素，将最先被“pop”出栈。与Java中的其他集合一样，进栈出栈都是Object，因此从栈中取出元素后必须进行类型转换，除非是使用Object具有的操作。所以Stack类里提供了如下几个方法。

• Object peek()：返回“栈”的第一个元素，但并不将该元素“pop”出栈。
• Object pop()：返回“栈”的第一个元素，并将该元素“pop”出栈。
• void push(Object item)：将一个元素“push”进栈，最后一个进“栈”的元素总是位于“栈“顶。

由于Stack继承了Vector，因此它也是一个非常古老的Java集合类，它同样是线程安全的、性能较差的，因此应该尽量少用Stack类。如果程序需要使用”栈“这种数据结构，则可以考虑ArrayDeque。

ArrayDeque也是List的实现类，ArrayDeque即实现了List接口，也实现了Deque接口，由于实现了Deque接口，因此可以作为栈来使用；而且ArrayDeque底层也是基于数组的实现，因此性能也很好。

固定长度的List

操作数组的工具类：Arrays，该工具类提供了asList(Object... a)方法，该方法可以把一个数组或指定个数的对象转换成一个List集合，这个List集合既不是ArrayList实现类的实例，也不是Vector实现类的实例，而是Arrays的内部类ArrayList的实例。

Arrays.ArrayList是一个固定长度的List集合，程序只能遍历访问该集合里的元素，不可增加、删除该集合里的元素。

Queue集合

Queue用于模拟队列这种数据结构，队列通常是指**先进先出（FIFO）**的容器。队列的头部保存在队列存放时间最长的元素，队列的尾部保存在队列中存放时间最短的元素。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接口中定义了如下几个方法。

• void add(Object e)：将指定元素加入此队列的尾部。
• Object element()：获取队列头部的元素，但是不删除该元素。
• boolean offer(Object e)：将指定元素加入此队列的尾部。当使用有容量限制的队列时，此方法通常比add(Object e)方法更好。
• Object peek()：获取队列头部的元素，但是不删除该元素。如果此队列为空，则返回null。
• Object poll()：获取队列头部的元素，并删除该元素。如果此队列为空，则返回null。
• Object remove()：获取队列头部的元素，并删除该元素。

Queue接口有一个PriorityQueue实现类。除此之外，Queue还有一个Deque接口，Deque代表一个双端队列，双端队列可以同时从两端来添加、删除元素，因此Deque的实现类即可当成队列使用，也可当成栈使用。Java为Deque提供了ArrayDeque和LinlkedList两个实现类。

PriorityQueue实现类

PriorityQueue是一个比较标准的队列实现类。之所以说它是比较标准的队列实现，而不是绝对标准的队列实现，是因为PriorityQueue保存队列元素的顺序并不是按加入队列的顺序，而是按队列元素的大小进行重新排序。因此当调用peek()方法或者poll()方法取出队列中的元素时，并不是取出最先进入队列的元素，而是去除队列中最小的元素。

PriorityQueue不允许插入null元素，它还需要对队列元素进行排序，PriorityQueue的元素有两种排序方式。

• 自然排序：采用自然排序的PriorityQueue集合中的元素必须实现了Comparable接口，而且应该是同一个类的多个实例，否则可能导致ClassCastException异常。
• 定制排序：创建PriorityQueue队列时，传入一个Comparable对象，该对象负责对队列中的所有元素进行排序。采用定制排序时不要求队列元素实现Comparable接口。

PriorityQueue队列对元素的要求与TreeSet对元素的要求基本一致。

Deque接口与ArrayDeque实现类

Deque接口是Queue接口的子接口，它代表一个双端队列，Deque接口里定义了一些双端队列的方法，这些方法允许从两端来操作队列的元素。

• void addFirst(Object e)：将指定元素插入该双端队列的开头。
• void addLast(Object e)：将指定元素插入该队列的末尾。
• Iterator descendingIterator()：返回该双端队列对应的迭代器，该迭代器将以逆向顺序来迭代队列中的元素。
• Object getFirst()：获取但不删除双端队列的第一个元素。
• Object getLast()：获取但不删除双端队列的最后一个元素。
• boolean offerFirst(Object e)：将指定元素插入该双端队列的开头。
• boolean offerLast(Object e)：将指定元素插入该双端队列的末尾。
• Object peekFirst()：获取但不删除该双端队列的第一个元素；如果双端队列为空，则返回null。
• Object peekLast()：获取但不删除该双端队列的最后一个元素；如果双端队列为空，则返回null。
• Object pollFirst()：获取并删除该双端队列的第一个元素；如果此双端队列为空，则返回null。
• Object pollLast()：获取并删除该双端队列的最后一个元素；如果此双端队列为空，则返回null。
• Object pop()：栈方法，pop出该双端队列所表示的栈的栈顶元素。相当于removeFirst()。
• void push(Object e)：栈方法，将一个元素push进该双端队列所表示的栈的栈顶。相当于addFirst(e)。
• Object removeFirst(Object e)：获取并删除该双端队列的第一个元素。
• Object removeFirstOccurrence(Object o)：删除该双端队列的第一次出现的元素o。
• Object removeLast(Object e)：获取并删除该双端队列的最后一个元素。
• Object removeLastOccurrence(Object o)：删除该双端队列的最后一次出现的元素o。

Deque不仅可以当成双端队列使用，而且可以被当成栈来使用，因为该类还包含了pop（出栈）、push（入栈）两个方法。

Deque的方法与Queue的方法对照表

Queue的方法	Deque的方法
add(e)/offer(e)	addLast(e)/offerLast(e)
remove()/poll()	removeFirst()/pollFirst()
element()/peek()	getFirst()/peekFirst()

Deque的方法与Stack的方法对照表

Stack的方法	Deque的方法
push(e)	addFirst(e)/offerFirst(e)
pop()	removeFirst()/pollFirst()
peek()	getFirst()/peekFirst()

Deque接口提供了一个典型的实现类：ArrayDeque，从该名称就可以看出，它是一个基于数组实现的双端队列，创建Deque时同样可指定一个numElements参数，该参数用于指定Object[]数组的长度；如果不指定numElements参数，Deque底层的数组长度为16。

ArrayList和ArrayDeque两个集合类的实现机制基本相似，它们底层都采用一个动态的、可重分配的Object[]数组来存储集合元素，当集合元素超出了该数组的容量时，系统会在底层重新分配一个Object[]数组来存储集合元素。

因此程序中需要使用栈这种数据结构时，推荐使用ArrayDeque，尽量避免使用Stack——因为Stack是古老的集合，性能较差。

LinkedList实现类

LinkedList类是List接口的实现类，可以根据索引来随机访问集合中的元素。除此之外，LinkedList还实现了Deque接口，可以被当成双端队列来使用，因此既可以被当成栈来使用，也可以当成队列使用。

LinkedList与ArrayList、ArrayDeque的实现机制完全不同，ArrayList、ArrayDeque内部以数组的形式来保存集合中的元素，因此随机访问集合元素时有较好的性能；而LinkedList内部以链表的形式来保存集合中的元素，因此随机访问集合元素时性能较差，但在插入、删除元素时性能比较出色（只需改变指针所指的地址即可）。虽然Vector也是以数组的形式来存储集合元素的，但因为它实现了线程的同步功能（而且实现机制也不好），所以各方面性能都比较差。

对于所有的内部基于数组的集合实现，例如ArrayList、ArrayDeque等，使用随机访问的性能比使用Iterator迭代访问的性能要好，因为随机访问会被映射成对数组元素的访问。

各种线性表的性能分析

Java提供的List就是一个线性表接口，而ArrayList、LinkedList又是线性表的两种典型实现：基于数组的线性表和基于链的线性表。Queue代表队列，Deque代表了双端队列（既可作为队列使用，也可作为栈使用）。

一般来说，由于数组以一块连续内存区来保存所有的数组元素，所以数组在随机访问时性能最好，所有的内部以数组作为底层实现的集合在随机访问时性能都比较好；而内部以链表作为底层实现的集合在执行插入、删除操作时有较好的性能。但总体来说，ArrayList的性能比LinkedList的性能要好，因此大部分时候应该考虑使用ArrayList。

关于使用List集合的建议。

• 如果需要遍历List集合元素，对于ArrayList、Vector集合，应该使用随机访问方法（get）来遍历集合元素，这样性能更好；对于LinkedList集合，则应该采用迭代器（Iterator）来遍历集合元素。
• 如果需要经常执行插入、删除操作来改变包含大量数据的List集合的大小，可考虑使用LinkedList集合。使用ArrayList、Vector集合可能需要经常重新分配内部数组的大小，效果可能较差。
• 如果有多个线程需要同时访问List集合中的元素，可考虑使用Collections将集合包装成线程安全的集合。

Java8增强的Map集合

Map体系图

Map用于保存具有映射关系的数据，因此Map集合里保存着两组值，一组值用于保存Map里的key，另外一组值用于保存Map里的value，key和value都可以是任何引用类型的数据。Map里的key不允许重复，即同一个Map对象的任何两个key通过equals()方法比较总是返回false。

key和value之间存在单向一对一关系，即通过指定的key，总能找到唯一的、确定的value。

如果把Map里的所有key放在一起来看，它们就组成了Set集合（所有的key没有顺序，key与key之间不能重复），实际上Map包含了一个keySet()方法，用于返回Map里的所有key组成的Set集合。

Map里key集和Set集合里的元素的存储形式很像，Map子类和Set子类在名字上也惊人地相似，比如Set接口下有HashSet、LinkedHashSet、SortedSet（接口）、TreeSet、EnumSet等子接口和实现类，而Map接口下则有HashMap、LinkedHashMap、SortedMap（接口）、TreeMap、EnumMap等子接口和实现类。Map的这些实现类和子接口中key集的存储形式和对应Set集合中元素的存储形式完全相同。

Set和Map之间的关系非常密切。虽然Map中存放的元素是key-value对，Set集合中放的元素是单个对象，但如果把key-value对中的value当成key的附庸：key在哪里，value就跟在哪里。Map提供了一个Entry内部类来封装key-value对，而计算Entry存储时则只考虑Entry封装的key。从Java源码来看，Java是先实现了Map，然后通过包装一个所有value都为null的Mao就实现了Set。

如果把Map里的所有value放在一起来看，它们有非常类似于一个List：元素与元素之间可以重复，每个元素可以根据索引来查找，只是Map中的索引不再使用整数值，而是以另一个对象作为索引。Map有时也被称为字典，或关联数组。Map接口中定义了如下常用的方法。

• void clear()：删除该Map对象中的所有key-value对。
• boolean containsKey(Object key)：查询Map中是否包含指定的key，如果包含则返回true。
• boolean containsValue(Object value)：查询Map中是否包含一个或多个value，如果包含则返回true。
• Set entrySet()：返回Map中包含的key-value对所组成的Set集合，每个集合元素都是Map.Entry（Entry是Map的内部类）对象。
• Object get(Object key)：返回指定key所对应的value；如果此Map中不包含该key，则返回null。
• boolean isEmpty()：查询该Map是否为空（即不包含任何key-value对），如果为空则返回true。
• Set keySet()：返回该Map中所有key组成的Set集合。
• Object put(Object key, Object value)：添加一个key-value对，如果当前Map中已有一个与该key相等的key-value对，则新的key-value对会覆盖原来的key-value对。
• void putAll(Map m)：将指定Map中的key-value对复制到本Map中。
• Object remove(Object key)：删除指定key所对应的key-value对，返回删除key所关联的value，如果该key不存在，则返回null。
• Object remove(Object key, Object value)：这是Java8新增的方法，删除指定key、value所对应的key-value对。如果该Map中成功地删除该key-value对，该方法返回true，否则返回false。
• int size()：返回该Map里的key-value对的个数。
• Collection values()：返回该Map里所有value组成的Collection。

Map接口提供了大量的实现类，典型实现如HashMap和Hashtable等、HashMap的子类LinkedHashMap，还有SortedMap子接口及该接口的实现类TreeMap，以及WeakHashMap、IdentityHashMap等。

Map里包括了一个内部类Entry，该类封装了一个key-value对。Entry包含如下三个方法。

• Object getKey()：返回该Entry里包含的key值。
• Object getValue()：返回该Entry里包含的value值。
• Object setValue(V value)：设置该Entry里包含的value值，并返回新设置的value值。

Map集合最典型的用法就是成对地添加、删除key-value对，接下来即可判断该Map中是否包含指定key，是否包含指定value，也可以通过Map提供的keySet()方法获取所有key组成的集合，进而遍历Map中所有的key-value对。

添加key-value对时，Map允许多个value重复，但如果添加key-value对时Map中已有重复的key，那么新添加的value会覆盖原来对应的value，该方法会返回被覆盖的value。

Java8为Map新增的方法

Java8除为Map增加了remove(Object key, Object value)默认方法之外，还增加了如下方法。

• Object compute(Object key, BiFunction remappingFunction)：该方法使用remappingFunction根据原key-value对计算一个新的value。只要新的value不为null，就是用新的value覆盖原value；如果原value不为null，但新的value为null，则删除原key-value对；如果原value、新value同时为null，那么该方法不改变任何key-value对，直接返回null。
• Object computeIfAbsent(Object key, Function mappingFunction)：如果传给该方法的key参数在Map中对应的value为null，则使用mappingFunction根据key计算一个新的结果，如果计算结果不为null，则用计算结果覆盖原有的value。如果原Map原来不包括该key，那么该方法可能会添加一组key-value。
• Object computeIfPresent(Object key, BiFunction remappingFcuntion)：如果传给该方法的key参数在Map中对应的value不为null，该方法将使用remappingFunction根据原key-value计算一个新的结果，如果计算结果不为null，则使用该结果覆盖原来的value；如果计算结果为null，则删除原key-value对。
• void forEach(BiConsumer action)：该方法是Java8为Map新增的一个遍历key-value对的方法，通过该方法可以更简洁地遍历Map的key-value对。
• Object getOrDefault(Object key, V defaultValue)：获取指定key对应的value。如果该key不存在，则返回defaultValue。
• Object merge(Object key, Object value, BiFunction remappingFunction)：该方法会根据key参数获取该Map中对应的value。如果获取的value为null，则直接用传入的value覆盖原有的value（在这种情况下，可能要添加一组key-value对）；如果获取的value不为null，则使用remappingFunction函数根据原value、新value计算一个新的结果，并用得到的结果去覆盖原有的value。
• Object putIfAbsent(Object key, Object value)：该方法会自动检测指定key对应的value是否为null，如果该key对应的value为null，该方法会用新的value代替原来的null值。
• Object replace(Object key, Object value)：将Map中指定key对应的value替换成新value。与传统put()方法不同的是，该方法不可能添加新的key-value对。如果尝试替换的key在原Map中不存在，该方法不会添加key-value，而是返回null。
• boolean replace(K key, V oldValue, V newValue)：将Map中指定key-value对原value替换成新value。如果在Map中找到指定的key-value对，则执行替换并返回true，否则返回false。
• replaceAll(BiFunction function)：该方法使用BiFunction对原key-value对执行计算，并将计算结果作为该key-value对的valu值。

Java8改进的HashMap和Hashtable实现类

HashMap和Hashtable都是Map接口的典型实现类，它们之间的关系完全类似于ArrayList和Vector的关系：Hashtable是一个古老的Map实现类，它从JDK1.0起就已经出现了，所以它包含了两个烦琐的方法，即elements()（类似于Map接口定义的values()方法）和keys()（类似于Map接口定义的keySet()方法），现在很少使用这两个方法。

Java8改进了HashMap的实现，使用HashMap存在key冲突时依然具有较好的性能。

除此之外，Hashtable和HashMap存在两点典型区别。

• Hashtable是一个线程安全的Map实现，但HashMap是线程不安全的实现，所以HashMap比Hashtable的性能高一点；但如果有多个线程访问同一个Map对象时，使用Hashtable实现类会更好。
• Hashtable不允许使用null作为key和value，如果试图把null值放进Hashtable中，将会引发NullPointerException异常；但HashMap可以使用null作为key或value。

由于HashMap里的key不能重复，所以HashMap里最多只有一个key-value对key为null，但可以有无数多个key-value对的value为null。

Hashtable是一个古老的类，它的命名甚至没有遵守Java的命名规范；与Vector类似的是，尽量少用Hashtable实现类，即使需要创建线程安全的Map实现类，也无须使用Hashtable实现类，可以通过Collections集合工具类把HashMap变成线程安全的。

为了成功地在HashMap、Hashtable中存储、获取对象，用作key的对象必须实现hashCode()方法和equals()方法。

与HashSet集合不能保证元素的顺序一样，HashMap、Hashtable也不能保证其中key-value对的顺序。类似于HashSet，HashMap、Hashtable判断两个key相等的标准也是：两个key通过equals()方法比较返回true，两个key的hashCode()值也相等。

除此之外，HashMap、Hashtable中还包含一个containsValue()方法，用于判断是否包含指定的value。

Hashtable判断value相等的标准是：value与另外一个对象通过equals()方法比较返回true即可。

自定义类作为HashMap、Hashtable的key时，如果重写该类的equals(Object obj)和hashCode()方法，则应该保证两个方法判断标准一致——当两个key通过equals()方法比较返回true时，两个key的hashCode()返回值也应该相同。

与HashSet类似的是，如果使用可变对象作为HashMap、Hashtable的key，并且程序修改了作为key的可变对象，则也可能出现于HashSet类似的情形：程序再无法准确访问到Map中被修改过的key。

LinkedHashMap实现类

HashSet有一个LinkedHashSet子类，HashMap也有一个LinkedHashMap子类；LinkedHashMap也使用双向链表来维护key-value对的次序（其实只需要考虑key的次序），该链表复制维护Map的迭代顺序，迭代顺序与key-value对的插入顺序保持一致。

LinkedHashMap可以避免对HashMap、Hashtable里的key-value对进行排序（只要插入key-value对时保持顺序即可），同时又可避免使用TreeMap所增加的成本。

LinkedHashMap需要维护元素的插入顺序，因此性能略低于HashMap的性能；但因为它以链表来维护内部顺序，所以在迭代访问Map里的全部元素时将有较好的性能。

使用Properties读写属性文件

Properties类是Hashtable类的子类，该对象在处理属性文件时特别方便（Windows操作平台上的ini文件就是一种属性文件）。Properties类可以把Map对象和属性文件关联起来，从而把Map对象中的key-value对写入属性文件中，也可以把属性文件中的“属性名=属性值”加载到Map对象中。由于属性文件里的属性名、属性值都是字符串类型，所以Properties里的key、value都是字符串类型。该类提供了如下三个方法来修改Properties里的key、value值。Properties相当于一个key、value都是String类型的Map。

• String getProperty(String key)：获取Properties中指定属性名对应的属性值，类似于Map的get(Object key)方法。
• String getProperty(String key, String defaultValue)：如果Properties中不存在指定的key时，则该方法指定默认值。
• Object setProperty(String key, String value)：设置属性值，类似于Hashtable的put()方法。

除此之外，它还提供了两个读写属性文件的方法。

• void load(InputStream inStream)：从属性文件（以输入流表示）中加载key-value对，把加载到key-value对追加到Properties里（Properties是Hashtable的子类，它不保证key-value对之间的次序）。
• void store(OutputStream out, String comments)：将Properties中的key-value对输出到指定的属性文件（以输出流表示）中。

SortedMap接口和TreeMap实现类

正如Set接口派生出SortedSet子接口，SortedSet接口有一个TreeSet实现类一样，Map接口也派生出一个SortedMap子接口，SortedMap接口也有一个TreeMap实现类。

TreeMap就是一个红黑树数据结构，每个key-value对即作为红黑树的一个节点。TreeMap存储key-value对（节点）时，需要根据key对节点进行排序。TreeMap可以保证所有的key-value对处于有序状态。TreeMap也有两种排序方式。

• 自然排序：TreeMap的所有key必须实现Comparable接口，而且所有的key应该是同一个类的对象，否则将抛出ClassCastException异常。
• 定制排序：创建TreeMap时，传入一个Comparator对象，该对象负责对TreeMap中的所有key进行排序。采用定制排序时不要求Map的key实现Comparable接口。

类似于TreeSet中判断两个元素相等的标准，TreeMap中判断两个key相等的标准是：两个key通过compareTo()方法时应保持一致的返回结果：两个key通过equals()方法比较返回true时，它们通过compareTo()方法比较应该返回0。如果equals()方法与compareTo()方法的返回结果不一致，TreeMap与Map接口的规则就会冲突。

Set和Map的关系十分密切，Java源码就是先实现了HashMap、TreeMap等集合，然后通过包装一个所有的value都为null的Map集合实现了Set集合类。

与TreeSet类似的是，TreeMap中也提供了一系列根据key顺序访问key-value对的方法。

• Map.Entry firstEntry()：返回该Map中最小key所对应的key-value对，如果该Map为空，则返回null。
• Object firsrtKey()：返回该Map中的最小key值，如果该Map为空，则返回null。
• Map.Entry lastEntry()：返回该Map中最大key所对应的key-value对，如果该Map为空或不存在这样的key-value对，则返回null。
• Object lastKey()：返回该Map中的最大key值，如果该Map为空或不存在这样的key-value对，则返回null。
• Map.Entry higherEntry(Object key)：返回该Map中位于key后一位的key-value对（即大于指定key的最小key所对应的key-value对）。如果该Map为空，则返回null。
• Object higherKey(Object key)：返回该Map中位于key后一位的key值（即大于指定key的最小key值）。如果该Map为空或不存在这样的key-value对，则都返回null。
• Map.Entry lowerEntry(Object key)：返回该Map中位于key前一位的key-value对（即小于指定key的最大key所对应的key-value对）。如果该Map为空或不存在这样的key-value对，则返回null。
• Object lowerKey(Object key)：返回该Map中位于key前一位的key值（即小于指定key的最大key值）。如果该Map为空或不存在这样的key-value对，则都返回null。
• NavigableMap subMap(Object fromKey, boolean fromInclusive, Object toKey, boolean toInclusive)：返回该Map的子Map，其key的范围是从fromKey（是否包括取决于第二个参数）到toKey（是否包括取决于第四个参数）。
• SortedMap subMap(Object key, Object toKey)：返回该Map的子Map，其key的范围是从fromKey（包括）到toKey（不包括）。
• SortedMap tailMap(Object fromKey)：返回该Map的子Map，其key的范围是大于fromKey（包括）到所有key。
• NavigableMap tailMap(Object fromKey, boolean inclusive)：返回该Map的子Map，其key的范围是大于fromKey（是否包括取决于第二个参数）的所有key。
• SortedMap headMap(Object toKey)：返回该Map的子Map，其key的范围是小于toKey（不包括）的所有key。
• NavigableMap headMap(Object toKey, boolean inclusive)：返回该Map的子Map，其key的范围是小于toKey（是否包括取决于第二个参数）的所有key。

WeakHashMap实现类

WeakHashMap与HashMap的用法基本相似。与HashMap的区别在于，HashMap的key保留了对实际对象的强引用，这意味着只要该HashMap对象不被销毁，该HashMap的所有key所引用的对象就不会被垃圾回收，HashMap也不会自动删除这些key所对应的key-value对；但WeakHashMap的key只保留了对实际对象的弱引用，这意味着如果WeakHashMap对象的key所引用的对象没有被其他强引用变量所引用，则这些key所引用的对象可能被垃圾回收，WeakHashMap也可能自动删除这些key所对应的key-value对。

WeakHashMap中的每个key对象只持有对实际对象的弱引用，因此，当垃圾回收了该key所对应的实际对象之后，WeakHashMap会自动删除该key对应的key-value对。

如果需要使用WeakHashMap的key来保留对象的弱引用，则不要让该key所引用的对象具有任何强引用，否则将失去WeakHashMap的意义。

IdentityHashMap实现类

这个Map实现类的实现机制与HashMap基本相似，但它在处理两个key相等时比较特殊：在IndentityHashMap中，当且仅当两个key严格相等（key1==key2)时，IdentityHashMap才认为两个key相等；对于普通的HashMap而言，只要key1和key2通过equals()方法比较返回true，且它们的hashCode值相等即可。

IdentityHashMap提供了与HashMap基本相似的方法，也允许使用null作为key和value。与HashMap相似：IdentityHashMap也不保证key-value对之间的顺序，更不能保证它们的顺序随时间的推移保持不变。

EnumMap实现类

EnumMap是一个与枚举类一起使用的Map实现，EnumMap中的所有key都必须是单个枚举类的枚举值。创建EnumMap时必须显示或隐式指定它对应的枚举类。EnumMap具有如下特征。

• EnumMap在内部以数组形式保存，所以这种实现形式非常紧凑、高效。
• EnumMap根据key的自然顺序（即枚举值在枚举类中的定义顺序）来维护key-value对的顺序。当程序通过keySet()、entrySet()、values()等方法遍历EnumMap时可以看到这种顺序。
• EnumMap不允许使用null作为key，但允许使用null作为value。如果试图使用null作为key时将抛出NullPointerException异常。如果只是查询是否包含值为null的key，或只是删除值为null的key，都不会抛出异常。

与创建普通的Map所有区别的是，创建EnumMap时必须指定一个枚举类，从而将该EnumMap和指定枚举类关联起来。

各Map实现类的性能分析

对于Map常用实现类而言，虽然HashMap和Hashtable的实现机制几乎一样，但由于Hashtable是一个古老的、线程安全的集合，因此HashMap通常比Hashtable要快。

TreeMap通常比HashMap、Hashtable要慢（尤其在插入、删除key-value对时更慢），因为TreeMap底层采用红黑树来管理key-value对（红黑树的每个结点就是一个key-value对）。

使用TreeMap有一个好处：TreeMap中的key-value对总是处于有序状态，无序专门进行排序操作。当TreeMap被填充之后，就可以调用keySet()，取得由key组成的Set，然后使用toArray()方法生成key的数组，接下来使用Arrays的binarySearch()方法在已排序的数组中快速地查询对象。

对于一般的应用场景，程序应该多考虑使用HashMap，因为HashMap正是为快速查询设计的（HashMap底层其实也是采用数组来存储key-value对）。但如果程序需要一个总是排好序的Map时，则可以考虑使用TreeMap。

LinkedHashMap比HashMap慢一点，因为它需要维护链表来保持Map中的key-value时的添加顺序。IdentityHashMap性能没有特别出色之处，因为它采用HashMap基本相似的实现，只是它使用==而不是equals()方法来判断元素相等。EnumMap的性能最好，但它只能使用同一个枚举类的枚举值作为key。

HashSet和HashMap的性能选项

对于HashSet及其子类而言，他们采用hash算法来决定集合中元素的存储位置，并通过hash算法来控制集合的大小；对于HashMap、Hashtable及其子类而言，它们采用hash算法来决定Map中key的存储，并通过hash算法来增加key集合的大小。

hsh表里可以存储元素的位置被称为桶（bucket），在通常情况，单个“桶”里存储一个元素，此时有最好的性能：hash算法可以根据hashCode值计算出“桶”存储位置，接着从“桶”中取出元素。但hahs表的状态时open的：在发生hash冲突的情况下，单个桶会存储多个元素。这些元素以链表形式存储。

因为HashSet和HashMap、Hashtable都是用hash算法来决定其元素（HashMap则只考虑key）的存储，因此HashSet、HashMap的hash表包含如下属性。

• 容量（capacity）：hash表中桶的数量
• 初始化容量（initial capacity）：创建hash表时桶的数量。HashMap和HashSet都允许在构造器中指定初始化容量。
• 尺寸（size）：当前hash表中记录的数量。
• 负载因子（load factor）：负载因子等于size/capacity。负载因子为0时，表示空的hash表，0.5表示半满的hash表，以此类推。轻负载的hash表具有冲突少、适宜插入与查询的特点（但是使用Iterator迭代元素时比较慢）。

除此之外，hash表里还有一个负载极限，负载极限是一个0~1的数值，负载极限决定了hash表的最大填满程度。当hash表中的负载因子达到指定的负载极限时，hash表会自动成倍地增加容量（桶的数量），并将原有的对象重新分配，放入新的桶内，这称为rehashing。

HashSet和HashMap、Hashtable的构造器允许指定一个负载极限，HashSet和HashMap、Hashtable默认的负载极限为0.75。

负载极限的默认值（0.75）是时间和空间成本上的一种折中：较高的负载极限可以降低hash表所占用的内存空间，但会增加查询数据的时间开销，而查询是最频繁的操作（HashMap的get()与put()方法都要用到查询）；较低的负载极限会提高查询数据的性能，但会增加hash表所占用的内存开销。

如果开始就知道HashSet和HashMap、Hashtable会保存很多记录，则可以在创建时就是用较大的初始化容量，如果初始化容量始终大于HashSet和HashMap、Hashtable所包含的最大记录数除以负载极限，就不会发生rehashing，使用足够大的初始化容量创建HashSet和HashMap、Hashtable时，可以更高效地增加记录，当将初始化容量设置太高可能会浪费空间。

操作集合的工具类：Collections

Java提供了一个操作Set、List和Map等集合的工具类：Collctions，该工具类里提供了大量方法对集合元素进行排序、查询和修改等操作。

排序操作

Collections提供了如下常用的类方法用于对List集合元素进行排序。

• void reverse(List list)：反转指定List集合中的元素顺序。
• void shuffle(List list)：对List集合元素进行随机排序（shuffle方法模拟了”洗牌“动作）。
• void sort(List list)`：根根据元素的自然顺序对指定List集合的元素按升序进行排序。
• void sort(List list, Comparator c)：根据指定Comparator产生的顺序对List集合元素进行排序。
• void swap(List list, int i, int j)：将指定List集合中的i处元素和j处元素进行交换。
• void rotate(List list, int distance)：当distance为正数时，将list集合的后distance个元素”整体“移到前面；当distance为负数时，将list集合的前distance个元素”整体“移到后面。

查找、替换操作

Collections还提供了如下常用的用于查找、替换集合元素的类方法。

• int binarySearch(List list, Object key)：使用二分搜索法搜索指定的List集合，以获得指定对象在List集合中的索引。如果要使用该方法可以正常工作，则必须保证List中的元素已经处于有序状态。
• Object max(Collection coll)：根据元素的自然排序，返回给定集合中的最大元素。
• Object max(Collection coll, Comparator comp)：根据Comparator指定的顺序，返回给定集合中的最大元素。
• Object min(Collection coll)：根据元素的自然排序，返回给定集合中的最小元素。
• Object min(Collection coll, Comparator comp)：根据Comparator指定的顺序，返回给定集合中的最小元素。
• void fill(List list, Object obj)：使用指定元素obj替换指定List集合中的所有元素。
• int frequency(Collection c, Object o)：返回指定集合中指定元素的出现次数。
• int indexOfSubList(List source, List target)：返回子List对象在父List对象中第一次出现的位置索引；如果父List中没有出现这样的子List，则返回-1。
• int lastIndexOfSubList(List source, List target)：返回子List对象在父List对象中最后一次出现的位置索引；如果父List中没有出现这样的子List，则返回-1。
• bollean replaceAll(List list, Object oldVal, Object newVal)：使用一个新值newVal替换List对象的所有旧值oldVal。

同步控制

Collections类中提供了多个synchronizedXxx()方法，该方法将指定集合包装成线程同步的集合，从而可以解决多线程并发访问集合时的线程安全问题。

Java中常用的集合框架中的实现类HashSet、TreeSet、ArrayList、ArrayDeque、LinkedList、HashMap和TreeMap都是线程不安全的。如果有多个线程访问它们，而且有超过一个的线程试图修改它们，则存在线程安全的问题。Collections提供了多个类方法可以把它们包装成线程同步的集合。

设置不可变集合

COllections提供了如下三类方法来返回一个不可变的集合。

• emptyXxx()：返回一个空的、不可变的集合对象，此处的集合既可以是List，也可以是SortedSet、Set，还可以是Map、SortedMap等。
• singletonXxx()：返回一个只包含指定对象（只有一个或一项元素）的、不可变的集合对象，此处的集合既可以是List，还可以是Map。
• unmodifiableXxx()：返回指定集合对象的不可变试图，此处的集合既可以是List，也可以是Set、SortedSet，还可以是Map、SortedMap等。

上面三类方法的参数是原有的集合对象，返回值是该集合的只读版本。

Java9新增的不可变集合

Java9以前要创建一个包含6个元素的Set集合，程序需要先创建Set集合，然后6次调用add()方法向Set集合中添加元素。Java9对此进行了简化，程序直接调用Set、List、Map的of()方法即可创建包含N个元素的不可变的集合。

不可变意味着程序不能向集合中添加元素，也不能从集合中删除元素。

创建不可变的Map集合有两个方法：使用of()类方法时只要依次传入多个key-value对即可；还可使用ofEntries()类方法，该方法可接受多个Entry对象，因此程序显示使用Map.entry()方法来创建Map.Entry对象。

烦琐的接口：Enumeration

Enumeration接口是Iterator迭代器的古老版本，从JDK1.0开始，Enumeration接口就已经存在了（Iterator从JDK1.2出现）。Enumeration接口只有两个名字很长的方法。

• boolean hasMoreElements()：如果次迭代器还有剩下的元素，则返回true。
• Object nextElement()：返回该迭代器的下一个元素，如果还有的话（否则将抛出异常）。

Enumeration接口中的方法名称冗长，难以记忆，而且没有提供Iterator的remove()方法。如果现在编写Java程序，应该尽量采用Iterator迭代器。

Java之所以保留Enumeration接口，主要是为了照顾以前那些“古老”的程序，那些程序里大量使用了Enumeration接口，如果新版本的Java里直接删除Enumeration接口，将会导致那些程序全部出错。在计算机行业有一条规则：加入任何规则都必须谨慎，因为以后无法删除规则。

实际上，Vector（包括其子类Stack）、Hashtable两个集合类，以及另一个极少使用的BitSet，都是从JDK1.0遗留下来的集合类，而Enumeration接口可用于遍历这些“古老”的集合类。对于ArrayList、HashMap等集合类，不再支持使用Enumeration。