Java基础之Colloction

引言

　　以下是介绍Java有关集合类，以及对应每个类的用途，同时进行比较集合类的不同特点来让我们深入了解。

Collction接口

• Collection是最基本的集合接口，一个Collection代表一组Object，即Collection的元素（Elements）。
• 如何遍历Collction中的每一个元素？使用迭代器iterator，参考下面代码

Iterator it = collection.iterator(); // 获得一个迭代子
while(it.hasNext()) {
     Object obj = it.next(); // 得到下一个元素
}

List接口

• List是有序的Collection，使用此接口能够精确的控制每个元素插入的位置。用户能够使用索引（元素在List中的位置，类似于数组下标）来访问List中的元素，这类似于Java的数组。
• 除了具有Collection接口必备的iterator()方法外，List还提供一个listIterator()方法，返回一个 ListIterator接口，和标准的Iterator接口相比，ListIterator多了一些add()之类的方法，允许添加，删除，设定元素， 还能向前或向后遍历。
• 实现List接口的常用类有LinkedList，ArrayList，Vector和Stack。

LinkList类

• LinkedList实现了List接口，允许null元素。此外LinkedList提供额外的get，remove，insert方法。这些操作使LinkedList可被用作堆栈（stack），队列（queue）或双向队列（deque）。
• 除了有ArrayList的基本操作方法外，还提供了get、remove、insert方法，LinkList不能随机访问。
• 注意LinkedList没有同步性。如果多个线程同时访问一个LinkedList，则必须自己实现访问同步。另一种解决方法是在创建List时构造一个同步的List：List list = Collections.synchronizedList(new LinkedList(...));

ArrayList类

• ArrayList实现了大小可变的数组。它允许所有元素，包括null。ArrayList没有同步性。
• size，isEmpty，get，set方法运行时间为常数。但是add方法开销为分摊的常数，添加n个元素需要O(n)的时间。其他的方法运行时间为线性。
• 每个ArrayList实例都有一个容量（Capacity），即用于存储元素的数组的大小。这个容量可随着不断添加新元素而自动增加，但是增长算法并没有定义。当需要插入大量元素时，在插入前可以调用ensureCapacity方法来增加ArrayList的容量以提高插入效率。
• 遍历方法：for、foreach、iterator、listiterator

Vector类

　　Vector非常类似ArrayList，但是Vector是同步的。由Vector创建的Iterator，虽然和 ArrayList创建的Iterator是同一接口，但是，因为Vector是同步的，当一个Iterator被创建而且正在被使用，另一个线程改变了 Vector的状态（例如，添加或删除了一些元素），这时调用Iterator的方法时将抛出 ConcurrentModificationException，因此必须捕获该异常。  

Stack类

　　Stack继承自Vector，实现一个后进先出的堆栈。Stack提供5个额外的方法使得Vector得以被当作堆栈使用。基本的push和pop方法，还有peek方法得到栈顶的元素，empty方法测试堆栈是否为空，search方法检测一个元素在堆栈中的位置。Stack刚创建后是空栈。

Vector、ArrayList和LinkedList比较

1. Vector是线程同步的，所以它也是线程安全的，而ArrayList和LinkedList是非线程安全的。如果不考虑到线程的安全因素，一般用ArrayList和LinkedList效率比较高。
2. ArrayList和Vector是实现了基于动态数组的数据结构，LinkedList基于链表的数据结构。
3. 如果集合中的元素的数目大于目前集合数组的长度时，Vector增长率为目前数组长度的100%，而ArrayList增长率为目前数组长度的50%。如果在集合中使用数据量比较大的数据，用vector有一定的优势；反之，用ArrayList有优势。
4. 如果查找一个指定位置的数据，Vector和ArrayList使用的时间是相同的，花费时间为O(1)，而LinkedList需要遍历查找，花费时间为O(i)，效率不如前两者。
5. 而如果移动、删除一个指定位置的数据花费的时间为0(n-i)n为总长度，这个时候就应该考虑使用LinkedList,因为它移动一个指定位置的数据所花费的时间为0(1)。
6. 对于在指定位置插入数据，LinedList比较占优势，因为ArrayList要移动数据。

Set类

• Set是一种不包含重复的元素的Collection，即任意的两个元素e1和e2都有e1.equals(e2)=false，Set最多有一个null元素。
• 很明显，Set的构造函数有一个约束条件，传入的Collection参数不能包含重复的元素。

HashSet类

　　HashSet 是一个没有重复元素的集合。它是由HashMap实现的，不保证元素的顺序。（元素插入的顺序和输出的顺序不一致）

　　HashSet 允许使用null元素，是非同步的。

　　HashSet使用和理解中容易出现的误区:

　　　　a.HashSet中存放null值：HashSet中是允许存入null值的，但是在HashSet中仅仅能够存入一个null值。

　　　　b.HashSet中存储元素的位置是固定的：HashSet中存储的元素的是无序的，这个没什么好说的，但是由于HashSet底层是基于Hash算法实现的，使用了hashcode，所以HashSet中相应的元素的位置是固定的  

　　　　c.必须小心操作可变对象（Mutable Object），如果一个Set中的可变元素改变了自身状态导致Object.equals(Object)=true将导致一些问题。

LinkedHashSet类

　　LinkHashSet继承自HashSet，其底层是基于LinkedHashMap来实现的，有序，非同步。元素以插入的顺序来保存数据。

Map类

　　Map没有继承Collection接口，Map提供key到value的映射。一个Map中不能包含相同的key，每个key只能映射一个 value。

　　Map接口提供3种集合的视图，Map的内容可以被当作一组key集合，一组value集合，或者一组key-value映射。

Hastable类

• Hashtable继承Map接口，实现一个key-value映射的哈希表。任何非空（non-null）的对象都可作为key或者value。
• 添加数据使用put(key, value)，取出数据使用get(key)，这两个基本操作的时间开销为常数。
• Hashtable通过initial capacity和load factor两个参数调整性能。通常缺省的load factor 0.75较好地实现了时间和空间的均衡。增大load factor可以节省空间但相应的查找时间将增大，这会影响像get和put这样的操作。
• 由于作为key的对象将通过计算其散列函数来确定与之对应的value的位置，因此任何作为key的对象都必须实现hashCode和equals方法。hashCode和equals方法继承自根类Object。
• Hashtable是同步的，线程安全的。

HashMap类

　　HashMap和Hashtable类似，不同之处在于HashMap是非同步的，并且允许null，即null value和null key。但是将HashMap视为Collection时（values()方法可返回Collection），其迭代子操作时间开销和HashMap 的容量成比例。因此，如果迭代操作的性能相当重要的话，不要将HashMap的初始化容量设得过高，或者load factor过低。  

　　HashMap的底层是通过“数组+链表”实现的，而在JDK1.8后，则是“数组+链表+红黑树”实现的。

　　ConcurrentHashMap

　　对于HashMap，最主要的是以下四种的操作：put、get、remove、迭代

　　　　put：先得到 key所在的table，再像HashMap一样get、中间并不加锁

　　　　get：先得到所属的table，加锁、判断table是否要扩容（如果table要扩容，则产生newTable、hash值相同的slot整体移到newTable、hash值不同的slot，把oldTable中的所有Entry都复制到newTable中）

　　　　remove：要删除Entry3，则先复制Entry1为Entry1*，Entry1*指向Entry4，再复制Entry2为Entry2*，Entry2*指向Entry1*，最终形成一个两叉的链表。原本的Entry1，Entry2，Entry3会被GC自动回收。

　　　　迭代：ConcurrentHashMap的历遍是从后向前历遍的，因为如果有另一个线程B在执行clear操作时，会把table中的所有slot都置为null，这个操作是从前向后执行。

　　说明: hashMap与ConcurentHashMap 的相关设计原理与模型, 请参考地址:https://www.cnblogs.com/huanghzm/p/11811592.html

总结

• 如果涉及到堆栈，队列等操作，应该考虑用List；对于需要快速插入，删除元素，应该使用LinkedList；如果需要快速随机访问元素，应该使用ArrayList。
• 如果程序在单线程环境中，或者访问仅仅在一个线程中进行，考虑非同步的类，其效率较高；如果多个线程可能同时操作一个类，应该使用同步的类。
• 要特别注意对哈希表的操作，作为key的对象要正确复写equals和hashCode方法。
• 使用Map时，查找、更新、删除、新增最好使用HashMap或HashTable；对Map进行自然顺序或自定义键顺序遍历时，最好使用TreeMap;
• 尽量返回接口而非实际的类型，如返回List而非ArrayList，这样如果以后需要将ArrayList换成LinkedList时，客户端代码不用改变。这就是针对抽象编程。
• ArrayList/LinkedList、Hashet/LinkedHashSet是线程不安全的。可以使用synchronized关键字。
• LinkedList对首部和尾部的插入都支持，但继承自Collection接口的add()方法是在尾部进行插入。

面试的几个问题

ArrayList和Vector有什么区别？HashMap和HashTable有什么区别？

　　Vector和HashTable是线程同步的（synchronized），即线程安全的。性能上，ArrayList和HashMap分别比Vector和Hashtable要好。

大致讲解java集合的体系结构

　　List、Set、Map是这个集合体系中最主要的三个接口。其中List和Set继承自Collection接口。

　　Set不允许元素重复。HashSet和TreeSet是两个主要的实现类。

　　List有序且允许元素重复。ArrayList、LinkedList和Vector是三个主要的实现类。

　　Map也属于集合系统，但和Collection接口不同。Map是key对value的映射集合，其中key列就是一个集合。key不能重复，但是value可以重复。HashMap、TreeMap和Hashtable是三个主要的实现类。

　　SortedSet和SortedMap接口对元素按指定规则排序，SortedMap是对key列进行排序。

Comparable和Comparator区别

　　调用java.util.Collections.sort(List list)方法来进行排序的时候，List内的Object都必须实现了Comparable接口。

　　 java.util.Collections.sort(List list，Comparator c)，可以临时声明一个Comparator 来实现排序。

案例：统计一段英文中单词个数，并排序

package main.java;

import java.util.*;

/**
 * 统计各个单词的个数，并按照字母顺序排序
 */
public class WordCount {

    public static void main(String[] args) {
        String sentence = "hello, my name is Tom, what is your name? he said: 'my name is John'.";

        Map<String, Integer> map = countWords(sentence);
        sortMap(map);

    }

    /**
     * 统计单词个数
     * @param str
     */
    private static Map<String, Integer> countWords(String str) {
        int count = 0;

        Map<String, Integer> map = new HashMap<>(); //用于统计各个单词的个数

        StringTokenizer stringTokenizer = new StringTokenizer(str);
        while (stringTokenizer.hasMoreElements()) {
            count++;
            String word = stringTokenizer.nextToken(", ?.!:'
");
            if (map.containsKey(word)) {
                int num = map.get(word);
                map.put(word, num + 1);
            }
            else {
                map.put(word, 1);
            }
        }
        System.out.println("总共出现单词个数：" + count);
        return map;
    }

    /**
     * 排序
     * @param map
     */
    private static List<Map.Entry<String, Integer>> sortMap(Map<String, Integer> map) {
        List<Map.Entry<String, Integer>> list = new ArrayList<>(map.entrySet());
        Collections.sort(list, new Comparator<Map.Entry<String, Integer>>() {
            public int compare(Map.Entry<String, Integer> o1, Map.Entry<String, Integer> o2 ) {
                return (o2.getValue() - o1.getValue());
            }
        });

        //输出排序
        for (Map.Entry<String, Integer> obj: list) {
            System.out.println(obj.getKey() + " : " + obj.getValue() + "次");
        }

        return list;
    }
}