java: 详解java中的集合框架

2023-10-31

一、Java集合框架概述

(1)图解

集合可以看作是一种容器，用来存储对象信息。所有集合类都位于java.util包下，但支持多线程的集合类位于java.util.concurrent包下。

上图中淡绿色背景覆盖的是集合体系中常用的实现类，分别是ArrayList、LinkedList、ArrayQueue、HashSet、TreeSet、HashMap、TreeMap等实现类。

(2)数组与集合的区别

1）数组长度不可变化而且无法保存具有映射关系的数据；集合类用于保存数量不确定的数据，以及保存具有映射关系的数据。

2）数组元素既可以是基本类型的值，也可以是对象；集合只能保存对象。

(3)List, Set, Queue, Map四个接口大致描述

1) Java集合类主要由两个根接口Collection和Map派生出来的，Collection派生出了三个子接口：List、Set、Queue（Java5新增的队列），因此Java集合大致也可分成List、Set、Queue、Map四种接口体系，（注意：Map不是Collection的子接口）。

2) 其中List代表了有序可重复集合，可直接根据元素的索引来访问；Set代表无序不可重复集合，只能根据元素本身来访问；Queue是队列集合；Map代表的是存储key-value对的集合，可根据元素的key来访问value。

二、Java集合常见接口及实现类

(1)Collection接口常见方法（来源于Java API）

(2)List集合

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。

1）ArrayList

ArrayList是一个动态数组(System.arraycopy(Object arr1, int x, Object arr2, int y, int length)方法来实现数组扩容的)，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(每次扩容的大小是容量的0.5倍)。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。(且每次扩容是扩容1倍)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。

5）Iterator接口和ListIterator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）。

(3)Set集合

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：

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。

1. 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。

2. 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，(jdk1.8之后, 对其进行了相应的优化, 当链表中的数据量超过了8之后, 就改用红黑树进行存储)这将导致性能下降，因此在编码时应避免出现这种情况。

3. 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。

public class Student implements Comparable<Student>{
    private String name;
    private int age;

    public Student() {
        super();
        // TODO Auto-generated constructor stub
    }

    public Student(String name, int age) {
        super();
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

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

    public int getAge() {
        return age;
    }

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

    @Override
    public int compareTo(Student s) {
        //return -1; //-1表示放在红黑树的左边,即逆序输出
        //return 1;  //1表示放在红黑树的右边，即顺序输出
        //return o;  //表示元素相同，仅存放第一个元素
        //主要条件 姓名的长度,如果姓名长度小的就放在左子树，否则放在右子树
        int num=this.name.length()-s.name.length();
        //姓名的长度相同，不代表内容相同,如果按字典顺序此 String 对象位于参数字符串之前，则比较结果为一个负整数。
        //如果按字典顺序此 String 对象位于参数字符串之后，则比较结果为一个正整数。
        //如果这两个字符串相等，则结果为 0
        int num1=num==0?this.name.compareTo(s.name):num;
        //姓名的长度和内容相同，不代表年龄相同，所以还要判断年龄
        int num2=num1==0?this.age-s.age:num1;
        return num2;
    }
}

public class MyClass {
    public static void main(String[] args) {
        TreeSet<Student> ts=new TreeSet<Student>();
        //创建元素对象
        Student s1=new Student("zhangsan",20);
        Student s2=new Student("lis",22);
        Student s3=new Student("wangwu",24);
        Student s4=new Student("chenliu",26);
        Student s5=new Student("zhangsan",22);
        Student s6=new Student("qianqi",24);

        //将元素对象添加到集合对象中
        ts.add(s1);
        ts.add(s2);
        ts.add(s3);
        ts.add(s4);
        ts.add(s5);
        ts.add(s6);

        //遍历
        for(Student s:ts){
            System.out.println(s.getName()+"-----------"+s.getAge());
        }
    }
}

运行结果

lis-----------22
qianqi-----------24
wangwu-----------24
chenliu-----------26
zhangsan-----------20
zhangsan-----------22

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接口与该TreeSet集合关联，由Comparator接口负责集合元素的排序逻辑。

public class Student {
    private String name;
    private int age;

    public Student() {
        super();
        // TODO Auto-generated constructor stub
    }

    public Student(String name, int age) {
        super();
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

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

    public int getAge() {
        return age;
    }

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

}

public class MyComparator implements Comparator<Student> {

    @Override
    public int compare(Student s1,Student s2) {
        // 姓名长度
        int num = s1.getName().length() - s2.getName().length();
        // 姓名内容
        int num2 = num == 0 ? s1.getName().compareTo(s2.getName()) : num;
        // 年龄
        int num3 = num2 == 0 ? s1.getAge() - s2.getAge() : num2;
        return num3;
    }

}

public class MyClass {

    public static void main(String[] args) {
        //创建集合对象
        //TreeSet(Comparator<? super E> comparator) 构造一个新的空 TreeSet，它根据指定比较器进行排序。
        TreeSet<Student> ts=new TreeSet<Student>(new MyComparator());

        //创建元素对象
        Student s1=new Student("zhangsan",20);
        Student s2=new Student("lis",22);
        Student s3=new Student("wangwu",24);
        Student s4=new Student("chenliu",26);
        Student s5=new Student("zhangsan",22);
        Student s6=new Student("qianqi",24);

        //将元素对象添加到集合对象中
        ts.add(s1);
        ts.add(s2);
        ts.add(s3);
        ts.add(s4);
        ts.add(s5);
        ts.add(s6);

        //遍历
        for(Student s:ts){
            System.out.println(s.getName()+"-----------"+s.getAge());
        }
    }
}

运行结果

lis-----------22
qianqi-----------24
wangwu-----------24
chenliu-----------26
zhangsan-----------20
zhangsan-----------22

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

1. 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。

2. 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。

3. 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。

4. 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.

(4)Map集合

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：

1）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。

2）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。

3）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）TreeMap实现类

　　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。

注:

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。

5）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。　

参考文章:

作者（冰湖一角) https://www.cnblogs.com/bingyimeiling/p/10255037.html

https://blog.csdn.net/zhangqunshuai/article/details/80660974

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