JavaSE重点——集合框架

1、学习来源

菜鸟教程 https://www.runoob.com/java/java-collections.html

Java集合框架详解（全） https://www.cnblogs.com/bingyimeiling/p/10255037.html

Arraylist的同步 https://blog.csdn.net/nannan408/article/details/83559095

Java集合中Collections工具类总结 https://www.cnblogs.com/benjieqiang/p/11442667.html

2、Java集合框架

早在 Java 2 中之前，Java 就提供了特设类。比如：Dictionary, Vector, Stack, 和 Properties 这些类用来存储和操作对象组。

虽然这些类都非常有用，但是它们缺少一个核心的，统一的主题。由于这个原因，使用 Vector 类的方式和使用 Properties 类的方式有着很大不同。

集合框架被设计成要满足以下几个目标。

• 该框架必须是高性能的。基本集合（动态数组，链表，树，哈希表）的实现也必须是高效的。
• 该框架允许不同类型的集合，以类似的方式工作，具有高度的互操作性。
• 对一个集合的扩展和适应必须是简单的。

为此，整个集合框架就围绕一组标准接口而设计。你可以直接使用这些接口的标准实现，诸如： LinkedList, HashSet, 和 TreeSet 等,除此之外你也可以通过这些接口实现自己的集合。

从上面的集合框架图可以看到，Java 集合框架主要包括两种类型的容器，一种是集合（Collection），存储一个元素集合，另一种是图（Map），存储键/值对映射。Collection 接口又有 3 种子类型，List、Set 和 Queue，再下面是一些抽象类，最后是具体实现类，常用的有 ArrayList、LinkedList、HashSet、LinkedHashSet、HashMap、LinkedHashMap 等等。

集合框架是一个用来代表和操纵集合的统一架构。所有的集合框架都包含如下内容：

• 接口：**是代表集合的抽象数据类型。例如 Collection、List、Set、Map 等。之所以定义多个接口，是为了以不同的方式操作集合对象
• 实现（类）：是集合接口的具体实现。从本质上讲，它们是可重复使用的数据结构，例如：ArrayList、LinkedList、HashSet、HashMap。
• 算法：是实现集合接口的对象里的方法执行的一些有用的计算，例如：搜索和排序。这些算法被称为多态，那是因为相同的方法可以在相似的接口上有着不同的实现。

除了集合，该框架也定义了几个 Map 接口和类。Map 里存储的是键/值对。尽管 Map 不是集合，但是它们完全整合在集合中。

3、Collection集合

3.1 概述

常用接口

3.2 List（有序、可重复）

​ List集合代表一个有序、可重复集合，集合中每个元素都有其对应的顺序索引。List集合默认按照元素的添加顺序设置元素的索引，可以通过索引（类似数组的下标）来访问指定位置的集合元素。

​ 实现List接口的集合主要有：ArrayList、LinkedList、Vector、Stack。

1）ArrayList

​ ArrayList是一个动态数组，也是我们最常用的集合，是List类的典型实现。它允许任何符合规则的元素插入甚至包括null。每一个ArrayList都有一个初始容量（10），该容量代表了数组的大小。随着容器中的元素不断增加，容器的大小也会随着增加。在每次向容器中增加元素的同时都会进行容量检查，当快溢出时，就会进行扩容操作。所以如果我们明确所插入元素的多少，最好指定一个初始容量值，避免过多的进行扩容操作而浪费时间、效率。

​ ArrayList擅长于随机访问。同时ArrayList是非同步的。

2）LinkedList

​ LinkedList是List接口的另一个实现，除了可以根据索引访问集合元素外，LinkedList还实现了Deque接口，可以当作双端队列来使用，也就是说，既可以当作“栈”使用，又可以当作队列使用。

​ LinkedList的实现机制与ArrayList的实现机制完全不同，ArrayLiat内部以数组的形式保存集合的元素，所以随机访问集合元素有较好的性能；LinkedList内部以链表的形式保存集合中的元素，所以随机访问集合中的元素性能较差，但在插入删除元素时有较好的性能。

3）Vector

​ 与ArrayList相似，但是Vector是同步的。所以说Vector是线程安全的动态数组。它的操作与ArrayList几乎一样。

4）Stack

​ 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。

3.3 Set（无序、不可重复）

​ Set集合与Collection的方法相同，由于Set集合不允许存储相同的元素，所以如果把两个相同元素添加到同一个Set集合，则添加操作失败，新元素不会被加入，add()方法返回false。为了帮助理解，请看下面代码示例：

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        Set<String> set = new HashSet<String>();
        set.add("hello world");
        set.add("hello 冰湖一角");
        set.add("hello 冰湖一角");//添加不进去
        System.out.println("集合中元素个数："+set.size());
        System.out.println("集合中元素为："+set.toString());
    }
}

运行结果如下：

集合中元素个数：2
集合中元素为：[hello world, hello 冰湖一角]

分析：由于String类中重写了hashCode()和equals()方法，用来比较指向的字符串对象所存储的字符串是否相等。所以这里的第二个"hello 冰湖一角"是加不进去的。

下面着重介绍Set集合几个常用实现类：

1）HashSet类

　　HashSet是Set集合最常用实现类，是其经典实现。HashSet是按照hash算法来存储元素的，因此具有很好的存取和查找性能。

　HashSet具有如下特点：

• 不能保证元素的顺序。

• HashSet不是线程同步的，如果多线程操作HashSet集合，则应通过代码来保证其同步。

• 集合元素值可以是null。

HashSet存储原理如下：

​ 当向HashSet集合存储一个元素时，HashSet会调用该对象的hashCode()方法得到其hashCode值，然后根据hashCode值决定该对象的存储位置。

​ HashSet集合判断两个元素相等的标准是：(1)两个对象通过equals()方法比较返回true；(2)两个对象的hashCode()方法返回值相等。因此，如果(1)和(2)有一个不满足条件，则认为这两个对象不相等，可以添加成功。如果两个对象的hashCode()方法返回值相等，但是两个对象通过equals()方法比较返回false，HashSet会以链式结构将两个对象保存在同一位置，这将导致性能下降，因此在编码时应避免出现这种情况。

HashSet查找原理如下：

​ 基于HashSet以上的存储原理，在查找元素时，HashSet先计算元素的HashCode值（也就是调用对象的hashCode方法的返回值），然后直接到hashCode值对应的位置去取出元素即可，这就是HashSet速度很快的原因。

重写hashCode()方法的基本原则如下：

• 在程序运行过程中，同一个对象的hashCode()方法返回值应相同。
• 当两个对象通过equals()方法比较返回true时，这两个对象的hashCode()方法返回值应该相等。
• 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。

2）LinkedHashSet类

​ LinkedHashSet是HashSet的一个子类，具有HashSet的特性，也是根据元素的hashCode值来决定元素的存储位置。但它使用链表维护元素的次序，元素的顺序与添加顺序一致。由于LinkedHashSet需要维护元素的插入顺序，因此性能略低于HashSet，但在迭代访问Set里的全部元素时由很好的性能。

3）TreeSet类

​ TreeSet时SortedSet接口的实现类，TreeSet可以保证元素处于排序状态，它采用红黑树的数据结构来存储集合元素。TreeSet支持两种排序方法：自然排序和定制排序，默认采用自然排序。

• 自然排序

  ​ TreeSet会调用集合元素的compareTo(Object obj)方法来比较元素的大小关系，然后将元素按照升序排列，这就是自然排序。如果试图将一个对象添加到TreeSet集合中，则该对象必须实现Comparable接口，否则会抛出异常。当一个对象调用方法与另一个对象比较时，例如obj1.compareTo(obj2)，如果该方法返回0，则两个对象相等；如果返回一个正数，则obj1大于obj2；如果返回一个负数，则obj1小于obj2。

　　Java常用类中已经实现了Comparable接口的类有以下几个：

​ BigDecimal、BigDecimal以及所有数值型对应的包装类：按照它们对应的数值大小进行比较。
​ Charchter：按照字符的unicode值进行比较。
​ Boolean：true对应的包装类实例大于false对应的包装类实例。
​ String：按照字符串中的字符的unicode值进行比较。
​ Date、Time：后面的时间、日期比前面的时间、日期大。

​ 对于TreeSet集合而言，它判断两个对象是否相等的标准是：两个对象通过compareTo(Object obj)方法比较是否返回0，如果返回0则相等。

• 定制排序

  想要实现定制排序，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Comparator对象负责集合元素的排序逻辑。

　综上：自然排序实现的是Comparable接口，定制排序实现的是Comparator接口。（具体代码实现会在后续章节中讲解）

4）EnumSet类

​ EnumSet是一个专为枚举类设计的集合类，不允许添加null值。EnumSet的集合元素也是有序的，它以枚举值在Enum类内的定义顺序来决定集合元素的顺序。

5）各Set实现类的性能分析

​ HashSet的性能比TreeSet的性能好（特别是添加，查询元素时），因为TreeSet需要额外的红黑树算法维护元素的次序，如果需要一个保持排序的Set时才用TreeSet，否则应该使用HashSet。

​ LinkedHashSet是HashSet的子类，由于需要链表维护元素的顺序，所以插入和删除操作比HashSet要慢，但遍历比HashSet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。

​ 以上几个Set实现类都是线程不安全的，如果多线程访问，必须手动保证集合的同步性，这在后面的章节中会讲到。

3.4 Iterator（迭代器）

Iterator接口和LisIterator接口

​ Iterator是一个接口，它是集合的迭代器。集合可以通过Iterator去遍历集合中的元素。Iterator提供的API接口如下：

• boolean hasNext()：判断集合里是否存在下一个元素。如果有，hasNext()方法返回 true。
• Object next()：返回集合里下一个元素。
• void remove()：删除集合里上一次next方法返回的元素。

​ ListIterator接口继承Iterator接口，提供了专门操作List的方法。ListIterator接口在Iterator接口的基础上增加了以下几个方法：

• boolean hasPrevious()：判断集合里是否存在上一个元素。如果有，该方法返回 true。

• Object previous()：返回集合里上一个元素。

• void add(Object o)：在指定位置插入一个元素。

  以上两个接口相比较，不难发现，ListIterator增加了向前迭代的功能（Iterator只能向后迭代），ListIterator还可以通过add()方法向List集合中添加元素（Iterator只能删除元素）。

4、Map集合

4.1 概述

Map接口采用键值对Map<K,V>的存储方式，保存具有映射关系的数据，因此，Map集合里保存两组值，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可以是任意引用类型的数据。key值不允许重复，可以为null。如果添加key-value对时Map中已经有重复的key，则新添加的value会覆盖该key原来对应的value。常用实现类有HashMap、LinkedHashMap、TreeMap等。

　　Map常见方法（来源于API）如下：

4.2 HashMap（重点，面试高频）

HashMap与Hashtable

　　HashMap与Hashtable是Map接口的两个典型实现，它们之间的关系完全类似于ArrayList与Vertor。HashTable是一个古老的Map实现类，它提供的方法比较繁琐，目前基本不用了，HashMap与Hashtable主要存在以下两个典型区别：

　　♦ HashMap是线程不安全，HashTable是线程安全的。

　　♦ HashMap可以使用null值最为key或value；Hashtable不允许使用null值作为key和value，如果把null放进HashTable中，将会发生空指针异常。

　　为了成功的在HashMap和Hashtable中存储和获取对象，用作key的对象必须实现hashCode()方法和equals()方法。

　　HashMap工作原理如下：

　　HashMap基于hashing原理，通过put()和get()方法存储和获取对象。当我们将键值对传递给put()方法时，它调用建对象的hashCode()方法来计算hashCode值，然后找到bucket位置来储存值对象。当获取对象时，通过建对象的equals()方法找到正确的键值对，然后返回对象。HashMap使用链表来解决碰撞问题，当发生碰撞了，对象将会存储在链表的下一个节点中。

4.3 TreeMap

TreeMap是SortedMap的实现类，是一个红黑树的数据结构，每个key-value对作为红黑树的一个节点。TreeMap存储key-value对时，需要根据key对节点进行排序。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，否则会抛出ClassCastException。

　　♦ 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。

4.4 LinkedHashMap实现类

LinkedHashMap使用双向链表来维护key-value对的次序（其实只需要考虑key的次序即可），该链表负责维护Map的迭代顺序，与插入顺序一致，因此性能比HashMap低，但在迭代访问Map里的全部元素时有较好的性能。

4.5 Properties

Properties类时Hashtable类的子类，它相当于一个key、value都是String类型的Map，主要用于读取配置文件。

4.6 各Map实现类的性能分析

• HashMap通常比Hashtable（古老的线程安全的集合）要快
• TreeMap通常比HashMap、Hashtable要慢，因为TreeMap底层采用红黑树来管理key-value。
• LinkedHashMap比HashMap慢一点，因为它需要维护链表来爆出key-value的插入顺序。　

5、Collections 工具类

Collections 是一个操作 Collection（Set、 List ）和 Map 等集合的工具类

Collection和Collections的区别？

Collection是用来存储单列数据的集合接口，常用子接口有List和Set

Collections是操作Collection的工具类。

常用方法

排序操作：

• reverse(List)： 反转 List 中元素的顺序
• shuffle(List)： 对 List 集合元素进行随机排序
• sort(List)： 根据元素的自然顺序对指定 List 集合元素按升序排序
• sort(List， Comparator)： 根据指定的 Comparator 产生的顺序对 List 集合元素进行排序
• swap(List， int， int)： 将指定 list 集合中的 i 处元素和 j 处元素进行交换

查找和替换：

• Object max(Collection)： 根据元素的自然顺序，返回给定集合中的最大元素
• Object max(Collection， Comparator)： 根据 Comparator 指定的顺序，返回给定集合中的最大元素
• Object min(Collection)
• Object min(Collection， Comparator)
• int frequency(Collection， Object)： 返回指定集合中指定元素的出现次数
• void copy(List dest,List src)：将src中的内容复制到dest中
• boolean replaceAll(List list， Object oldVal， Object newVal)： 使用新值替换List 对象的所有旧值

6、泛型

将对象的类型作为参数，指定到其他类或者方法上，从而保证类型转换的安全性和稳定性

【本质是参数化类型】

泛型集合：

泛型集合可以约束集合内的元素类型

典型泛型集合ArrayList、HashMap<K,V>

<E>、<K,V>表示该泛型集合中的具体元素类型【写的时候写实际的类型】
泛型集合中的数据不再转换为Object

【除了指定了集合中的元素类型外，泛型集合和之前学习的集合的用法完全一样】

泛型的尖括号中可以放父类对象，这样子类对象也可以插入到这个集合里。