Java之集合框架（一）

集合框架

1、为什么使用集合框架？

假设，一个班级有30个人，我们需要存储学员的信息，是不是我们可以用一个一维数组就解决了？

那换一个问题，一个网站每天要存储的新闻信息，我们知道新闻是可以实时发布的，我们并不知道需要多大的空间去存储，我要是去设置一个很大的数组，要是没有存满，或者不够用，都会影响我们，前者浪费空间，后者影响业务！

如果并不知道程序运行时会需要多少对象，或者需要更复杂的方式存储对象，那我们就可以使用Java的集合框架！

2、集合框架包含的内容

Java集合框架提供了一套性能优良，使用方便的接口和类，他们位于java.util包中。

【接口和具体类】

当然了，这张图只表现了一些常用的。 

【算法】

Collections 类提供了对集合进行排序，遍历等多种算法实现！

【重中之重】

　　Collection 接口存储一组 不唯一，无序的对象

　　List 接口存储一组 不唯一，有序的对象。

　　Set 接口存储一组 唯一，无序的对象

　　Map 接口存储一组 键值对象，提供key到value的映射

　　ArrayList实现了长度可变的数组，在内存中分配连续的空间。遍历元素和随机访问元素的效率比较高

　　LinkedList采用链表存储方式。插入、删除元素时效率比较高

　　HashSet:采用哈希算法实现的Set

　　　　HashSet的底层是用HashMap实现的，因此查询效率较高，由于采用hashCode算法直接确定元素的内存地址，增删效率也挺高的。

ArrayList 实践

问题：我们现在有4只小狗，我们如何存储它的信息，获取总数，并能够逐条打印狗狗信息！

分析：通过List 接口的实现类ArrayList 实现该需求.

　　元素个数不确定

　　要求获得元素的实际个数

　　按照存储顺序获取并打印元素信息

class Dog{
    private String name;

    public Dog(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

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

public class test {
    public static void main(String[] args) {
        //创建ArrayList对象 , 并存储狗狗
        List dogs = new ArrayList();
        dogs.add(new Dog("小狗一号"));
        dogs.add(new Dog("小狗二号"));
        dogs.add(new Dog("小狗三号"));
        dogs.add(2,new Dog("小狗四号"));// 添加到指定位置
        // .size() ： ArrayList大小
        System.out.println("共计有" + dogs.size() + "条狗狗。");
        System.out.println("分别是：");
        // .get(i) ： 逐个获取个元素
        for (int i = 0; i < dogs.size(); i++) {
            Dog dog = (Dog) dogs.get(i);
            System.out.println(dog.getName());
        }

    }
}

问题联想：

　　删除第一个狗狗 ：remove（index）

　　删除指定位置的狗狗 ：remove（object）

　　判断集合中是否包含指定狗狗 ： contains（object）

分析：使用List接口提供的remove()、contains()方法

【常用方法】

大家可以自己动手试一试

ArrayList 源码分析

1、ArrayList概述

　　1. ArrayList是可以动态增长和缩减的索引序列，它是基于数组实现的List类。

　　2. 该类封装了一个动态再分配的Object[]数组，每一个类对象都有一个capacity【容量】属性，表示它们所封装的Object[]数组的长度，当向ArrayList中添加元素时，该属性值会自动增加。如果想 ArrayList中添加大量元素，可使用ensureCapacity方法一次性增加capacity，可以减少增加重分配 的次数提高性能。

　　3. ArrayList的用法和Vector向类似，但是Vector是一个较老的集合，具有很多缺点，不建议使用。

另外，ArrayList和Vector的区别是：ArrayList是线程不安全的，当多条线程访问同一个ArrayList集合 时，程序需要手动保证该集合的同步性，而Vector则是线程安全的。

ArrayList和Collection的关系：

2、ArrayList的数据结构

分析一个类的时候，数据结构往往是它的灵魂所在，理解底层的数据结构其实就理解了该类的实现思 路，具体的实现细节再具体分析。

ArrayList的数据结构是：

 说明：底层的数据结构就是数组，数组元素类型为Object类型，即可以存放所有类型数据。我们对 ArrayList类的实例的所有的操作底层都是基于数组的。

3、ArrayList源码分析

　　1、继承结构和层次关系

IDEA快捷键：Ctrl+H

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{}

我们看一下ArrayList的继承结构：

ArrayList extends AbstractList

AbstractList extends AbstractCollection

所有类都继承Object 所以ArrayList的继承结构就是上图这样。

【分析】

　　1. 为什么要先继承AbstractList，而让AbstractList先实现List？而不是让ArrayList直接实现List？

这里是有一个思想，接口中全都是抽象的方法，而抽象类中可以有抽象方法，还可以有具体的实现方法，正是利用了这一点，让AbstractList是实现接口中一些通用的方法，而具体的类，如ArrayList就继承这个AbstractList类，拿到一些通用的方法，然后自己在实现一些自己特有的方法，这样一来，让代码更 、简洁，就继承结构最底层的类中通用的方法都抽取出来，先一起实现了，减少重复代码。所以一般看到一个类上面还有一个抽象类，应该就是这个作用。

　　1. ArrayList实现了哪些接口？

List接口：我们会出现这样一个疑问，在查看了ArrayList的父类 AbstractList也实现了List接口，那为什 么子类ArrayList还是去实现一遍呢？

这是想不通的地方，所以我就去查资料，有的人说是为了查看代码方便，使观看者一目了然，说法不 一，但每一个让我感觉合理的，但是在stackOverFlow中找到了答案，这里其实很有趣。

这其实是一个mistake[失误]，因为他写这代码的时候觉得这个会有用处，但是其实并没什么用，但因为没什么影响，就一直留到了现在。

RandomAccess接口：这个是一个标记性接口，通过查看api文档，它的作用就是用来快速随机存取， 有关效率的问题，在实现了该接口的话，那么使用普通的for循环来遍历，性能更高，例如ArrayList。而 没有实现该接口的话，使用Iterator来迭代，这样性能更高，例如linkedList。所以这个标记性只是为了 让我们知道我们用什么样的方式去获取数据性能更好。

Cloneable接口：实现了该接口，就可以使用Object.Clone()方法了。

Serializable接口：实现该序列化接口，表明该类可以被序列化，什么是序列化？简单的说，就是能够 从类变成字节流传输，然后还能从字节流变成原来的类。

　　2、类中的属性

// 版本号
private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;
// 缺省容量
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
// 空对象数组
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
// 缺省空对象数组
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
// 元素数组
transient Object[] elementData;
// 实际元素大小，默认为0
private int size;
// 最大数组容量
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

　　3、构造方法

通过IDEA查看源码，看到ArrayList有三个构造方法：

    /**
     * Constructs an empty list with the specified initial capacity.
     * 构造具有指定初始容量的空列表。
     * @param  initialCapacity  the initial capacity of the list
     * @throws IllegalArgumentException if the specified initial capacity
     *         is negative
     */
    public ArrayList(int initialCapacity) {
        if (initialCapacity > 0) {
            this.elementData = new Object[initialCapacity];
        } else if (initialCapacity == 0) {
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        } else {
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                               initialCapacity);
        }
    }

    /**
     * Constructs an empty list with an initial capacity of ten.这里就说明了默认会给10的大小，所以说一开始arrayList的容量是10.
     */
    public ArrayList() {
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }

    /**
     * Constructs a list containing the elements of the specified
     * collection, in the order they are returned by the collection's
     * iterator.按照集合迭代器返回元素的顺序构造包含指定集合的元素的列表。，这个方法不常用
     *
     * @param c the collection whose elements are to be placed into this list
     * @throws NullPointerException if the specified collection is null
     */
    public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
        elementData = c.toArray();
        if ((size = elementData.length) != 0) {
            // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
            if (elementData.getClass() != Object[].class)
                elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
        } else {
            // replace with empty array.
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        }
    }

【总结】ArrayList的构造方法就做一件事情，就是初始化一下储存数据的容器，其实本质上就是一个数组，在其中就叫elementData。

　　4、核心方法-add

    /**
     * Appends the specified element to the end of this list.
     * 添加一个特定的元素到list的末尾。
     * @param e element to be appended to this list
     * @return <tt>true</tt> (as specified by {@link Collection#add})
     */
    public boolean add(E e) {
//确定内部容量是否够了，size是数组中数据的个数，因为要添加一个元素，所以size+1，先判断size+1的这个个数数组能否放得下，就在这个方法中去判断是否数组.length是否够用了。
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

【分析：ensureCapacityInternal(xxx); 确定内部容量的方法】

 

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }

        ensureExplicitCapacity(minCapacity);
    }


private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        modCount++;

        // overflow-conscious code
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }


//arrayList核心的方法，能扩展数组大小的真正秘密。
    /**
     * Increases the capacity to ensure that it can hold at least the
     * number of elements specified by the minimum capacity argument.
     *
     * @param minCapacity the desired minimum capacity
     */
    private void grow(int minCapacity) {
        // overflow-conscious code
        int oldCapacity = elementData.length;
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
        // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }

　　void add(int，E)

    /**
     * Inserts the specified element at the specified position in this
     * list. Shifts the element currently at that position (if any) and
     * any subsequent elements to the right (adds one to their indices).
     *
     * @param index index at which the specified element is to be inserted
     * @param element element to be inserted
     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
     */
    public void add(int index, E element) {
        rangeCheckForAdd(index);

        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                         size - index);
        elementData[index] = element;
        size++;
    }

【分析：rangeCheckForAdd(index)】

private void rangeCheckForAdd(int index) {
    //插入的位置肯定不能大于size 和小于0
    if (index > size || index < 0)
        //如果是，就报这个越界异常
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}

【System.arraycopy(...)：就是将elementData在插入位置后的所有元素，往后面移一位.】

 public static native void arraycopy(Object src,  int  srcPos,
                                        Object dest, int destPos,
                                        int length);
src：源对象
srcPos：源对象对象的起始位置
dest：目标对象
destPost：目标对象的起始位置
length：从起始位置往后复制的长度。

【总结】

正常情况下会扩容1.5倍，特殊情况下（新扩展数组大小已经达到了最大值）则只取最大值。

 说明：程序调用add，实际上还会进行一系列调用，可能会调用到grow，grow可能会调用 hugeCapacity。

【举例】

List<Integer> lists = new ArrayList<Integer>;
lists.add(8);

说明：初始化lists大小为0，调用的ArrayList()型构造函数，那么在调用lists.add(8)方法时，会经过怎样 的步骤呢？下图给出了该程序执行过程和最初与最后的elementData的大小。

 说明：我们可以看到，在add方法之前开始elementData = {}；调用add方法时会继续调用，直至 grow，最后elementData的大小变为10，之后再返回到add函数，把8放在elementData[0]中。

【举例说明二】

List<Integer> lists = new ArrayList<Integer>(6);
lists.add(8);

说明：调用的ArrayList(int)型构造函数，那么elementData被初始化为大小为6的Object数组，在调用 add(8)方法时，具体的步骤如下：

说明：我们可以知道，在调用add方法之前，elementData的大小已经为6，之后再进行传递，不会进行 扩容处理。

　　5、核心方法-remove

其实这几个删除方法都是类似的。我们选择几个讲，其中fastRemove(int)方法是private的，是提供给 remove(Object)这个方法用的。

　　1. remove(int)：通过删除指定位置上的元素

    /**
     * Removes the element at the specified position in this list.
     * Shifts any subsequent elements to the left (subtracts one from their
     * indices).
     *
     * @param index the index of the element to be removed
     * @return the element that was removed from the list
     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
     */
    public E remove(int index) {
        rangeCheck(index);//检查index的合理性

        modCount++;;//这个作用很多，比如用来检测快速失败的一种标志。
        E oldValue = elementData(index);//通过索引直接找到该元素

        int numMoved = size - index - 1;//计算要移动的位数。
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);//这个方法也已经解释过了，就是用来移动元素的。
        elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work//将--size上的位置赋值为null，让gc(垃圾回收机制)更快的回收它。

        return oldValue;//返回删除的元素。
    }

　　　1. remove(Object)：这个方法可以看出来，arrayList是可以存放null值得。

    //感觉这个不怎么要分析吧，都看得懂，就是通过元素来删除该元素，就依次遍历，如果有这个元素，
    就将该元素的索引传给fastRemobe(index)，使用这个方法来删除该元素，
        //fastRemove(index)方法的内部跟remove(index)的实现几乎一样，这里最主要是知道
        arrayList可以存储null值
        public boolean remove(Object o) {
            if (o == null) {
                for (int index = 0; index < size; index++)
                    if (elementData[index] == null) {
                        fastRemove(index);
                        return true;
                    }
            } else {
                for (int index = 0; index < size; index++)
                    if (o.equals(elementData[index])) {
                        fastRemove(index);
                        return true;
                    }
            }
            return false;
        }

　　1. clear()：将elementData中每个元素都赋值为null，等待垃圾回收将这个给回收掉，所以叫clear

    /**
     * Removes all of the elements from this list.  The list will
     * be empty after this call returns.
     */
    public void clear() {
        modCount++;

        // clear to let GC do its work
        for (int i = 0; i < size; i++)
            elementData[i] = null;

        size = 0;
    }

　　1. removeAll(collection c)

public boolean removeAll(Collection<?> c) {
        Objects.requireNonNull(c);
        return batchRemove(c, false);
    }

　　1. batchRemove(xx,xx)：用于两个方法，一个removeAll()：它只清楚指定集合中的元素，retainAll() 用来测试两个集合是否有交集。

//这个方法，用于两处地方，如果complement为false，则用于removeAll如果为true，则给retainAll()用，retainAll（）是用来检测两个集合是否有交集的。

private boolean batchRemove(Collection<?> c, boolean complement) {
        final Object[] elementData = this.elementData;
        int r = 0, w = 0;
        boolean modified = false;
        try {
            for (; r < size; r++)
                if (c.contains(elementData[r]) == complement)
                    elementData[w++] = elementData[r];
        } finally {
            // Preserve behavioral compatibility with AbstractCollection,
            // even if c.contains() throws.
            if (r != size) {
                System.arraycopy(elementData, r,
                                 elementData, w,
                                 size - r);
                w += size - r;
            }
            if (w != size) {
                // clear to let GC do its work
                for (int i = w; i < size; i++)
                    elementData[i] = null;
                modCount += size - w;
                size = w;
                modified = true;
            }
        }
        return modified;
    }

总结：remove函数，用户移除指定下标的元素，此时会把指定下标到数组末尾的元素向前移动一个单 位，并且会把数组最后一个元素设置为null，这样是为了方便之后将整个数组不被使用时，会被GC，可以作为小的技巧使用。

　　6、其他方法

【set()方法】 说明：设定指定下标索引的元素值

public E set(int index, E e) {
            rangeCheck(index);
            checkForComodification();
            E oldValue = ArrayList.this.elementData(offset + index);
            ArrayList.this.elementData[offset + index] = e;
            return oldValue;
        }

【indexOf()方法】 说明：从头开始查找与指定元素相等的元素，注意，是可以查找null元素的，意味着ArrayList中可以存 放null元素的。与此函数对应的lastIndexOf，表示从尾部开始查找。

    public int indexOf(Object o) {
        if (o == null) {
            for (int i = 0; i < size; i++)
                if (elementData[i]==null)
                    return i;
        } else {
            for (int i = 0; i < size; i++)
                if (o.equals(elementData[i]))
                    return i;
        }
        return -1;
    }
/ 从首开始查找数组里面是否存在指定元素

【get()方法】

 public E get(int index) {
        rangeCheck(index);

        return elementData(index);
    }

说明：get函数会检查索引值是否合法（只检查是否大于size，而没有检查是否小于0），值得注意的 是，在get函数中存在element函数，element函数用于返回具体的元素，具体函数如下：

 E elementData(int index) {
        return (E) elementData[index];
    }

说明：返回的值都经过了向下转型（Object -> E），这些是对我们应用程序屏蔽的小细节

　　4、总结

1）arrayList可以存放null。

2）arrayList本质上就是一个elementData数组。

3）arrayList区别于数组的地方在于能够自动扩展大小，其中关键的方法就是gorw()方法。

4）arrayList中removeAll(collection c)和clear()的区别就是removeAll可以删除批量指定的元素，而 clear是全是删除集合中的元素。

5）arrayList由于本质是数组，所以它在数据的查询方面会很快，而在插入删除这些方面，性能下降很 多，有移动很多数据才能达到应有的效果

6）arrayList实现了RandomAccess，所以在遍历它的时候推荐使用for循环。