Java集合大总结——Collection集合

2023-11-04

Collection集合的整理

1、List，Set，Queue，Map四者的区别
集合底层数据结构梳理
2、关于集合的的选用
2.1 为什么使用集合
3、List接口
- 3.1 ArrayList 和 Array（数组）的区别？
- 3.1 LinkedList 为什么不能实现RandomAccess 接口？
4.ArrayList 与 LinkedList 区别?
- 4.1 关于ArrayList 的扩容机制
5. Set接口
- 5.1 比较 HashSet、LinkedHashSet 和 TreeSet 三者的异同
- 5.2 无序性和不可重复性的含义是什么
6. HashSet 如何检查重复?

1、List，Set，Queue，Map四者的区别

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Java 集合，也叫作容器，主要是由两大接口派生而来：一个是 Collection 接口，主要用于存放单一元素；另一个是 Map 接口，主要用于存放键值对。对于Collection 接口，下面又有三个主要的子接口： List 、 Set 和 Queue
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集合底层数据结构梳理

List, Set, Queue, Map四者都是Collection 接口的子接口，都可以使用for-each 循环语法遍历元素，其它的区别见图上所示。
关于四者的实现类之间的区别
List接口
- ArrayList：Object[]数组
- Vector：Object[]数组
- LinkedList：双向链表
Set接口
- HashSet（无序，唯一）：底层使用HashMap存储数据
- LinkedHashSet：LinkedHashSet 是 HashSet 的子类，并且其内部是通过 LinkedHashMap 来实现的。
- TreeSet (有序，唯一): 红黑树(自平衡的排序二叉树)
Queue接口
- Deque接口：双端队列
- PriorityQueue : Object[] 数组
- ArrayDeque : Object[] 数组
Map接口
- HashMap：数组 + 链表|红黑树。
  - 添加元素时，如果当前数组的长度小于 64，那么会选择先进行数组扩容。
  - 如果数组长度达到64时，数组不在扩容，而是转换数组 + 链表存储元素。
  - 当链表长度大于阈值（默认为 8）时，将链表转化为红黑树，以减少搜索时间。
- LinkedHashMap：（双向链表） +（数组 + 链表|红黑树），其中的双向链表实现了LinkedHashMap 能顺序访问。
- Hashtable ：数组+链表组成的
- TreeMap ：红黑树（自平衡的排序二叉树）
  注意：关于HashMap 和 Hashtable 的区别还需要详细介绍。

2、关于集合的的选用

我们主要根据集合的特点来选择合适的集合。比如：

需要根据键值获取到元素值时就选用 Map 接口下的集合
- 需要排序时选择 TreeMap
- 不需要排序时就选择 HashMap
- 需要保证线程安全就选用 ConcurrentHashMap
只需要存放元素值时，就选择实现 Collection 接口的集合
- 需要保证元素唯一时选择实现 Set 接口的集合比如 TreeSet 或 HashSet
- 不需要保证元素唯一时选择实现 List 接口的集合比如 ArrayList 或 LinkedList
需要队列时就选择Queue接口下的集合
单端队列就选择PriorityQueue
双端队列就选ArrayDeque

2.1 为什么使用集合

当我们需要存储一组类型相同的数据时，数组是最常用且最基本的容器之一。但是，使用数组存储对象存在一些不足之处，因为在实际开发中，存储的数据类型多种多样且数量不确定。这时，Java 集合就派上用场了。
与数组相比，Java 集合提供了更灵活、更有效的方法来存储多个数据对象。Java集合框架中的各种集合类和接口可以存储不同类型和数量的对象，同时还具有多样化的操作方式。相较于数组，Java 集合的优势在于它们的大小可变、支持泛型、具有内建算法等。
总的来说，Java 集合提高了数据的存储和处理灵活性，可以更好地适应现代软件开发中多样化的数据需求，并支持高质量的代码编写

3、List接口

List集合的特点

3.1 ArrayList 和 Array（数组）的区别？

ArrayList 内部基于动态数组实现，比 Array （静态数组）使用起来更加灵活：

ArrayList 会根据实际存储的元素动态地扩容或缩容，而 Array 被创建之后就不能改变它的长度了。
ArrayList 允许你使用泛型来确保类型安全， Array 则不可以。
ArrayList 中只能存储对象。对于基本类型数据，需要使用其对应的包装类（如 Integer、Double 等，不能是int，double等）。 Array 可以直接存储基本类型数据，也可以存储对象。
ArrayList 支持插入、删除、遍历等常见操作，并且提供了丰富的 API 操作方法，比如 add() 、 remove() 等。 Array 只是一个固定长度的数组，只能按照下标访问其中的元素，不具备动态添加、删除元素的能力。
ArrayList 创建时不需要指定大小，而 Array 创建时必须指定大小。

3.1 LinkedList 为什么不能实现RandomAccess 接口？

RandomAccess 是一个标记接口，用来表明实现该接口的类支持随机访问（即可以通过索引快速访问元素）。由于 LinkedList 底层数据结构是链表，内存地址不连续，只能通过指针移动来定位，不支持随机快速访问，所以不能实现RandomAccess 接口。

4.ArrayList 与 LinkedList 区别?

LinkedList类：

public class LinkedList<E>
    extends AbstractSequentialList<E>
    implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable

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ArrayList集合类：

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

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根据以上的继承结构图理解：

是否保证线程安全： ArrayList 和 LinkedList 都是不同步的，也就是不保证线程安全；
底层数据结构： ArrayList 底层使用的是 Object 数组； LinkedList 底层使用的是双向链表数据结构
插入和删除是否受元素位置的影响：
- ArrayList 采用数组存储，所以插入和删除元素的时间复杂度受元素位置的影响。比如：执行 add(E e) 方法的时候， ArrayList 会默认将指定的元素追加到末尾，这种情况时间复杂度就是 O(1)。但是如果要在指定位置 i插入和删除元素的话 add(int index, E element) ，时间复杂度就为O(n)。因为在进行上述操作的时候集合中第 i 和第 i 个元素之后的(n-i)个元素都要执行向后移一位的操作。
- LinkedList 采用链表存储，所以在头尾插入或者删除元素不受元素位置的影响（ add(E e) 、 addFirst(E e) 、 addLast(E e) 、removeFirst() 、 removeLast() ），时间复杂度为 O(1)，如果是要在指
  定位置 i 插入和删除元素的话（ add(int index, E element) ，remove(Object o) , remove(int index) ），时间复杂度为 O(n) ，因为需要先移动到指定位置再插入和删除。
是否支持快速随机访问： LinkedList 不支持高效的随机元素访问，而ArrayList （实现了 RandomAccess 接口）支持。快速随机访问就是通过元素的下标快速获取元素对象(对应于 get(int index) 方法)。
内存空间占用： ArrayList 的空间浪费主要体现在 list 列表的结尾会预留一定的容量空间，而 LinkedList 的空间花费则体现在它的每一个元素都需要消耗比ArrayList 更多的空间（因为要存放直接后继和直接前驱以及数据）。

另外，不要下意识地认为 LinkedList 作为链表就最适合元素增删的场景。我在上面也说了， LinkedList 仅仅在头尾插入或者删除元素的时候时间复杂度近似O(1)，其他情况增删元素的平均时间复杂度都是 O(n) 。

4.1 关于ArrayList 的扩容机制

以无参数构造方法创建 ArrayList 时，实际上初始化赋值的是一个空数组。当真正对数组进行添加元素操作时，才真正分配容量。即向数组中添加第一个元素时，数组容量扩为 10。
以带参构造方法创建 ArrayList 时，初始容量是构造传入的参数值大小。
ArrayList 每次扩容之后容量都会变为原来的 1.5 倍左右
- oldCapacity 为偶数就是 1.5 倍，否则是 1.5 倍左右
- 扩容算法是 oldCapacity + (oldCapacity >> 1) （>>1 右移一位相当于除 2）
关于ArrayList 的底层扩容源码：

private Object[] grow(int minCapacity) {
     int oldCapacity = elementData.length;
     if (oldCapacity > 0 || elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
          int newCapacity = ArraysSupport.newLength(oldCapacity,
                  minCapacity - oldCapacity, /* minimum growth */
                  oldCapacity >> 1           /* preferred growth */);
          return elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
      } else {
          return elementData = new Object[Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity)];
      }
 }

5. Set接口

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5.1 比较 HashSet、LinkedHashSet 和 TreeSet 三者的异同

HashSet 、 LinkedHashSet 和 TreeSet 都是 Set 接口的实现类，都能保证元素唯一，并且都不是线程安全的。
HashSet 、 LinkedHashSet 和 TreeSet 的主要区别在于底层数据结构不同：
- HashSet 的底层数据结构是哈希表（基于 HashMap 实现）；
- LinkedHashSet 的底层数据结构是链表和哈希表，元素的插入和取出顺序满足 FIFO。
- TreeSet 底层数据结构是红黑树，元素是有序的，排序的方式有自然排序和定制排序。
底层数据结构不同又导致这三者的应用场景不同：
- HashSet 用于不需要保证元素插入和取出顺序的场景
- LinkedHashSet 用于保证元素的插入和取出顺序满足 FIFO 的场景
- TreeSet 用于支持对元素自定义排序规则的场景

5.2 无序性和不可重复性的含义是什么

无序性不等于随机性，无序性是指存储的数据在底层数组中并非按照数组索引的顺序添加，而是根据数据的哈希值决定的。
不可重复性是指添加的元素按照 equals() 判断时，返回 false，需要同时重写equals() 方法和 hashCode() 方法。

6. HashSet 如何检查重复?

HashSet存储不重复的元素，那么向HashSet中添加元素时，是如何检查被添加的元素是否已经存在了呢？

当你把对象加入 HashSet 时， HashSet 会先计算对象的 hashcode 值来判断对象加入的位置，同时也会与其他加入的对象的hashcode 值作比较，如果没有相符的hashcode ， HashSet 会假设对象没有重复出现。但是如果发现有相同 hashcode值的对象，这时会调用 equals() 方法来检查 hashcode 相等的对象是否真的相同。如果两者相同， HashSet 就不会让加入操作成功。

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