Java集合框架詳解

一、Java集合框架概述

　　集合可以看作是一種容器，用來存儲對象信息。所有集合類都位於java.util包下，但支持多線程的集合類位於java.util.concurrent包下。
　　數組與集合的區別如下：
　　1. 數組長度不可變化而且無法保存具有映射關係的數據；集合類用於保存數量不確定的數據，以及保存具有映射關係的數據。
　　2.數組元素既可以是基本類型的值，也可以是對象；集合只能保存對象。
　　Java集合類主要由兩個根接口Collection和Map派生出來的，Collection派生出了三個子接口：List、Set、Queue（Java5新增的隊列），因此Java集合大致也可分成List、Set、Queue、Map四種接口體系，（注意：Map不是Collection的子接口）。
　　其中List代表了有序可重複集合，可直接根據元素的索引來訪問；Set代表無序不可重複集合，只能根據元素本身來訪問；Queue是隊列集合；Map代表的是存儲key-value對的集合，可根據元素的key來訪問value。
　　上圖中淡綠色背景覆蓋的是集合體系中常用的實現類，分別是ArrayList、LinkedList、ArrayQueue、HashSet、TreeSet、HashMap、TreeMap等實現類。

二、Java集合常見接口及實現類

1. Collection接口常見方法（來源於Java API）

2. Set集合

Set集合與Collection的方法相同，由於Set集合不允許存儲相同的元素，所以如果把兩個相同元素添加到同一個Set集合，則添加操作失敗，新元素不會被加入，add()方法返回false。爲了幫助理解，請看下面代碼示例：

    @Test
    public void test_set(){
        HashSet<String> hashSet = new HashSet<>();
        hashSet.add("hello set");
        hashSet.add("hello java");
        hashSet.add("hello java");

        System.out.println("集合重元素的個數:" + hashSet.size());
        System.out.println("集合中的元素:" + hashSet.toString());
    }
    /**結果集*/
    /*
		集合重元素的個數:2
		集合中的元素:[hello java, hello set]
	*/

分析：由於String類中重寫了hashCode()和equals()方法，用來比較指向的字符串對象所存儲的字符串是否相等。所以這裏的第二個"hello java"是加不進去的。

下面着重介紹Set集合幾個常用實現類：

1. HashSet類

HashSet是Set集合最常用實現類，是Set的經典實現。HashSet是按照hash算法來存儲元素的，因此具有很好的存取和查找性能。
HashSet具有如下特點：

1. 不能保證元素的順序。
2. HashSet不是線程同步的，如果多線程操作HashSet集合，則應通過代碼來保證其同步。
3. 集合元素值可以是null。

HashSet存儲原理如下：

1. 當向HashSet集合存儲一個元素時，HashSet會調用該對象的hashCode()方法得到其hashCode值，然後根據hashCode值決定該對象的存儲位置。
2. HashSet集合判斷兩個元素相等的標準是(1)兩個對象通過equals()方法比較返回true；(2)兩個對象的hashCode()方法返回值相等。因此，如果(1)和(2)有一個不滿足條件，則認爲這兩個對象不相等，可以添加成功。
3. 如果兩個對象的hashCode()方法返回值相等，但是兩個對象通過equals()方法比較返回false，HashSet會以鏈式結構將兩個對象保存在同一位置，這將導致性能下降，因此在編碼時應避免出現這種情況。

HashSet查找原理如下：
基於HashSet以上的存儲原理，在查找元素時，HashSet先計算元素的HashCode值（也就是調用對象的hashCode方法的返回值），然後直接到hashCode值對應的位置去取出元素即可，這就是HashSet速度很快的原因。

重寫hashCode()方法的基本原則如下：

• 在程序運行過程中，同一個對象的hashCode()方法返回值應相同。
• 當兩個對象通過equals()方法比較返回true時，這兩個對象的hashCode()方法返回值應該相等。
• 對象中用作equals()方法比較標準的實例變量，都應該用於計算hashCode值。

2. LinkedHashSet類

LinkedHashSet是HashSet的一個子類，具有HashSet的特性，也是根據元素的hashCode值來決定元素的存儲位置。但它使用鏈表維護元素的次序，元素的順序與添加順序一致。由於LinkedHashSet需要維護元素的插入順序，因此性能略低於HashSet，但在迭代訪問Set裏的全部元素時有很好的性能。

3. TreeSet類

TreeSet是SortedSet接口的實現類，TreeSet可以保證元素處於排序狀態，它採用紅黑樹的數據結構來存儲集合元素。TreeSet支持兩種排序方法：自然排序和定製排序，默認採用自然排序。

• 自然排序
  TreeSet會調用集合元素的compareTo(Object obj)方法來比較元素的大小關係，然後將元素按照升序排列，這就是自然排序。如果試圖將一個對象添加到TreeSet集合中，則該對象必須實現Comparable接口，否則會拋出異常。當一個對象調用方法與另一個對象比較時，例如obj1.compareTo(obj2)，如果該方法返回0，則兩個對象相等；如果返回一個正數，則obj1大於obj2；如果返回一個負數，則obj1小於obj2。
  　　Java常用類中已經實現了Comparable接口的類有以下幾個：
  　　a. BigDecimal、BigDecimal以及所有數值型對應的包裝類：按照它們對應的數值大小進行比較。
  　　b. Charchter：按照字符的unicode值進行比較。
  　　c. Boolean：true對應的包裝類實例大於false對應的包裝類實例。
  　　d. String：按照字符串中的字符的unicode值進行比較。
  　　e. Date、Time：後面的時間、日期比前面的時間、日期大。
  　　對於TreeSet集合而言，它判斷兩個對象是否相等的標準是：兩個對象通過compareTo(Object obj)方法比較是否返回0，如果返回0則相等。
• 定製排序
  　　想要實現定製排序，需要在創建TreeSet集合對象時，提供一個Comparator對象與該TreeSet集合關聯，由Comparator對象負責集合元素的排序邏輯。

綜上：自然排序實現的是Comparable接口，定製排序實現的是Comparator接口。（具體代碼實現會在後續章節中講解）

4. EnumSet類

EnumSet是一個專爲枚舉類設計的集合類，不允許添加null值。EnumSet的集合元素也是有序的，它以枚舉值在Enum類內的定義順序來決定集合元素的順序。

5. 各Set實現類的性能分析

• HashSet的性能比TreeSet的性能好（特別是添加，查詢元素時），因爲TreeSet需要額外的紅黑樹算法維護元素的次序，如果需要一個保持排序的Set時才用TreeSet，否則應該使用HashSet。
• LinkedHashSet是HashSet的子類，由於需要鏈表維護元素的順序，所以插入和刪除操作比HashSet要慢，但遍歷比HashSet快。
• EnumSet是所有Set實現類中性能最好的，但它只能 保存同一個枚舉類的枚舉值作爲集合元素。
• 以上幾個Set實現類都是線程不安全的，如果多線程訪問，必須手動保證集合的同步性，這在後面的章節中會講到。

3. List集合

List集合代表一個有序、可重複集合，集合中每個元素都有其對應的順序索引。List集合默認按照元素的添加順序設置元素的索引，可以通過索引（類似數組的下標）來訪問指定位置的集合元素。
　　實現List接口的集合主要有：ArrayList、LinkedList、Vector 音標: /ˈvektə(r)/、Stack 音標: /stæk/。

1. ArrayList

   ArrayList是一個動態數組，也是我們最常用的集合，是List類的典型實現。它允許任何符合規則的元素插入甚至包括null。每一個ArrayList都有一個初始容量（10），該容量代表了數組的大小。隨着容器中的元素不斷增加，容器的大小也會隨着增加。在每次向容器中增加元素的同時都會進行容量檢查，當快溢出時，就會進行擴容操作。所以如果我們明確所插入元素的多少，最好指定一個初始容量值，避免過多的進行擴容操作而浪費時間、效率。
   ArrayList擅長於隨機訪問。同時ArrayList是非同步的。

2. LinkedList

  LinkedList是List接口的另一個實現，除了可以根據索引訪問集合元素外，LinkedList還實現了Queue接口，可以當作雙端隊列來使用，也就是說，既可以當作“棧”使用，又可以當作隊列使用。
  LinkedList的實現機制與ArrayList的實現機制完全不同，ArrayLiat內部以數組的形式保存集合的元素，所以隨機訪問集合元素有較好的性能；LinkedList內部以鏈表的形式保存集合中的元素，所以隨機訪問集合中的元素性能較差，但在插入刪除元素時有較好的性能。

3. Vector

與ArrayList相似，但是Vector是同步的。所以說Vector是線程安全的動態數組。它的操作與ArrayList幾乎一樣。

4. Stack

Stack繼承自Vector，實現一個後進先出的堆棧。Stack提供5個額外的方法使得Vector得以被當作堆棧使用。基本的push和pop 方法，還有peek方法得到棧頂的元素，empty方法測試堆棧是否爲空，search方法檢測一個元素在堆棧中的位置。Stack剛創建後是空棧。

5. Iterator接口和ListIterator接口

Iterator是一個接口，它是集合的迭代器。集合可以通過Iterator去遍歷集合中的元素。Iterator提供的API接口如下：

• boolean hasNext()：判斷集合裏是否存在下一個元素。如果有，hasNext()方法返回 true。
• Object next()：返回集合裏下一個元素。
• void remove()：刪除集合裏上一次next方法返回的元素。

ListIterator接口繼承Iterator接口，提供了專門操作List的方法。ListIterator接口在Iterator接口的基礎上增加了以下幾個方法：

• boolean hasPrevious()：判斷集合裏是否存在上一個元素。如果有，該方法返回 true。
• Object previous()：返回集合裏上一個元素。
• void add(Object o)：在指定位置插入一個元素。

以上兩個接口相比較，不難發現，ListIterator增加了向前迭代的功能（Iterator只能向後迭代），ListIterator還可以通過add()方法向List集合中添加元素（Iterator只能刪除元素）。

4. Map集合

Map接口採用鍵值對Map<K,V>的存儲方式，保存具有映射關係的數據，因此，Map集合裏保存兩組值，一組值用於保存Map裏的key，另外一組值用於保存Map裏的value，key和value可以是任意引用類型的數據。key值不允許重複，可以爲null。如果添加key-value對時Map中已經有重複的key，則新添加的value會覆蓋該key原來對應的value。常用實現類有HashMap、LinkedHashMap、TreeMap等。
Map常見方法（來源於API）如下：

1. HashMap與Hashtable

HashMap與Hashtable是Map接口的兩個典型實現，它們之間的關係完全類似於ArrayList與Vertor。HashTable是一個古老的Map實現類，它提供的方法比較繁瑣，目前基本不用了.
　　
HashMap與Hashtable主要存在以下兩個典型區別：

• HashMap是線程不安全，HashTable是線程安全的。
• HashMap可以使用null值最爲key或value；Hashtable不允許使用null值作爲key和value，如果把null放進HashTable中，將會發生空指針異常。
  　　爲了成功的在HashMap和Hashtable中存儲和獲取對象，用作key的對象必須實現hashCode()方法和equals()方法。

HashMap工作原理如下：
　　HashMap基於hashing原理，通過put()和get()方法存儲和獲取對象。當我們將鍵值對傳遞給put()方法時，它調用建對象的hashCode()方法來計算hashCode值，然後找到bucket位置來儲存值對象。當獲取對象時，通過建對象的equals()方法找到正確的鍵值對，然後返回對象。HashMap使用鏈表來解決碰撞問題，當發生碰撞了，對象將會存儲在鏈表的下一個節點中。

2. LinkedHashMap實現類

LinkedHashMap使用雙向鏈表來維護key-value對的次序（其實只需要考慮key的次序即可），該鏈表負責維護Map的迭代順序，與插入順序一致，因此性能比HashMap低，但在迭代訪問Map裏的全部元素時有較好的性能。

3. Properties

Properties類時Hashtable類的子類，它相當於一個key、value都是String類型的Map，主要用於讀取配置文件。

4.TreeMap實現類

TreeMap是SortedMap的實現類，是一個紅黑樹的數據結構，每個key-value對作爲紅黑樹的一個節點。TreeMap存儲key-value對時，需要根據key對節點進行排序。
TreeMap也有兩種排序方式：

• 自然排序：TreeMap的所有key必須實現Comparable接口，而且所有的key應該是同一個類的對象，否則會拋出ClassCastException。
• 定製排序：創建TreeMap時，傳入一個Comparator對象，該對象負責對TreeMap中的所有key進行排序。

5.各Map實現類的性能分析

• HashMap通常比Hashtable（古老的線程安全的集合）要快
• TreeMap通常比HashMap、Hashtable要慢，因爲TreeMap底層採用紅黑樹來管理key-value。
• LinkedHashMap比HashMap慢一點，因爲它需要維護鏈表來爆出key-value的插入順序。