Java集合框架的總結整理

源出處：尚硅谷：http://www.gulixueyuan.com/my/course/310

Java集合框架的總結整理

1. Java集合框架概述

Java集合框架概述

• 一方面， 面嚮對象語言對事物的體現都是以對象的形式，爲了方便對多個對象 的操作，就要對對象進行存儲。另一方面，使用Array存儲對象方面具有一些弊 端，而Java 集合就像一種容器，可以動態地把多個對象的引用放入容器中。
  • 數組在內存存儲方面的特點：
    1. 數組初始化以後，長度就確定了。
    2. 數組聲明的類型，就決定了進行元素初始化時的類型
  • 數組在存儲數據方面的弊端：
    1. 數組初始化以後，長度就不可變了，不便於擴展
    2. 數組中提供的屬性和方法少，不便於進行添加、刪除、插入等操作，且效率不高。 同時無法直接獲取存儲元素的個數
    3. 數組存儲的數據是有序的、可以重複的。【存儲數據的特點單一】
• Java 集合類可以用於存儲數量不等的多個對象，還可用於保存具有映射關係的關聯數組。

Java 集合可分爲 Collection 和 Map 兩種體系

• Collection接口：單列數據，定義了存取一組對象的方法的集合

  • List：元素有序、可重複的集合【“動態”數組,替換原有的數組】
    • ArrayList：作爲List接口的主要實現類；線程不安全的，效率高；底層數據結構是數組，使用Object[ ]存儲
    • LinkedList：對於頻繁的插入、刪除操作，使用此類效率比ArrayList高；底層使用雙向鏈表存儲
    • Vector：作爲List接口的古老實現類；線程安全的，效率低；底層是數組，使用Object[]存儲
  • Set：元素無序、不可重複的集合

    • HashSet：作爲Set接口的主要實現類；線程不安全的；可以存儲null值；底層是HashMap，底層數據結構是哈希表（即數組+鏈表），使用hash算法計算存儲位置。

    • LinkedHashSet：作爲HashSet的子類；遍歷其內部數據時，可以按照添加的順序遍歷；對於頻繁的遍歷操作，LinkedHashSet效率高於HashSet，底層數據結構是鏈表和哈希表。使用hash算法計算存儲位置，同時使用鏈表來維護順序，順序與添加順序一致

    • TreeSet：可以按照添加對象的指定屬性，進行排序。底層是二叉樹【紅黑樹】

• Map接口：雙列數據，保存具有映射關係“key-value對”的集合
  Map常用實現類：

  • HashMap:：HashMap是 Map 接口使用頻率最高的實現類,允許使用 null 值和 null 鍵;此類不保證映射的順序;在多線程操作下不安全，底層數據結構是 jdk1.7：哈希表(數組+鏈表)，jdk1.8：哈希表(數組+鏈表)+紅黑樹
  • LinkedHashMap：在HashMap存儲結構的基礎上，使用了一對雙向鏈表來記錄添加
    元素的順序，雙向鏈表的數據結構保證了該集合具有可預知的迭代順序（有序性）
  • TreeMap：TreeMap存儲 Key-Value 對時，需要根據 key-value 對進行排序。 TreeMap 可以保證所有的 Key-Value 對處於有序狀態
  • Hashtable：Hashtable是個古老的 Map 實現類，JDK1.0就提供了。不同於HashMap， Hashtable是線程安全的。Hashtable實現原理和HashMap相同，功能相同。底層都使用哈希表結構，查詢 速度快，很多情況下可以互用。
  • Properties：Properties 類是 Hashtable 的子類，該對象用於處理屬性文件

Collection接口繼承樹：Map接口繼承樹：

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Collection 接口

• Collection 接口是 List、Set 和 Queue 接口的父接口，該接口裏定義的方法 既可用於操作 Set 集合，也可用於操作 List 和 Queue 集合。
• JDK不提供此接口的任何直接實現，而是提供更具體的子接口(如：Set和List)實現。
• 在 Java5 之前，Java 集合會丟失容器中所有對象的數據類型，把所有對象都 當成 Object 類型處理；從 JDK 5.0 增加了泛型以後，Java 集合可以記住容器中對象的數據類型。

Collection 接口方法

https://blog.csdn.net/qq_40164190/article/details/106506910

Collection子接口之一：List接口

List接口概述：

• 鑑於Java中數組用來存儲數據的侷限性，我們通常使用List替代數組
• List集合類中元素有序、且可重複，集合中的每個元素都有其對應的順序索引。
• List容器中的元素都對應一個整數型的序號記載其在容器中的位置，可以根據 序號存取容器中的元素。
• JDK API中List接口的實現類常用的有：ArrayList、LinkedList和Vector。

List接口常用方法

https://blog.csdn.net/qq_40164190/article/details/106431687

List實現類之一：ArrayList

• ArrayList 是 List 接口的典型實現類、主要實現類（即用得最多、最頻繁）
• ArrayList是一個可變長數組，無容量的限制（超出容量後會自動擴容）
• 線程不安全的，會出現 fail-fast，效率高；底層使用Object類型的數組Object[]存儲

ArrayList的源碼分析：（詳細源碼分析及擴容機制請點擊這裏）

jdk 1.7情況下
ArrayList list = new ArrayList();//底層創建了長度是10的Object[]數組elementData
list.add(123);//elementData[0] = new Integer(123);
…
list.add(11);//如果此次的添加導致底層elementData數組容量不夠，則擴容。
默認情況下，擴容爲原來的容量的1.5倍，同時需要將原有數組中的數據複製到新的數組中。

jdk 1.8中ArrayList的變化：
ArrayList list = new ArrayList();//底層Object[] elementData初始化爲{}.並沒有創建長度爲10的數組
list.add(123);//第一次調用add()時，底層才創建了長度10的數組，並將數據123添加到elementData[0]
後續擴容操作與jdk1.8一致

小結：建議開發中使用帶參的構造器：ArrayList list = new ArrayList(int capacity)
在jdk1.8中，第一次調用add()時，底層才創建了長度10的數組。
jdk7中的ArrayList的對象的創建類似於單例模式的餓漢式，而jdk8中的ArrayList的對象的創建類似於單例模式的懶漢式，延遲了數組的創建，節省內存。

List實現類之二：LinkedList

• LinkedList是一個繼承於AbstractSequentialList的雙向鏈表。它也可以被當做堆棧、隊列或雙端隊列進行使用。
• 對於頻繁的插入或刪除元素的操作，建議使用LinkedList類，效率較高
• LinkedList 中的操作不是線程安全的
• LinkedList：雙向鏈表，內部沒有聲明數組，而是定義了Node類型的first和last， 用於記錄首末元素。同時，定義內部類Node，作爲LinkedList中保存數據的基本結構。Node除了保存數據，還定義了兩個變量：
  • prev變量記錄前一個元素的位置
  • next變量記錄下一個元素的位置

    private static class Node<E> {
        E item;
        Node<E> next;
        Node<E> prev;

        Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
            this.item = element;
            this.next = next;
            this.prev = prev;
        }
    }

• 新增方法：

void addFirst(Object obj)
void addLast(Object obj)
Object getFirst() 
Object getLast() 
Object removeFirst() 
Object removeLast()

List實現類之三：Vector

• Vector 是一個古老的集合，JDK1.0就有了。Vector 類實現了一個動態數組。和 ArrayList 很相似，區別之處在於：
  • Vector 是同步訪問的，所以是Vector是線程安全的
  • Vector 包含了許多傳統的方法，這些方法不屬於集合框架。
• 在各種list中，最好把ArrayList作爲默認選擇。當插入、刪除頻繁時， 使用LinkedList；Vector總是比ArrayList慢，所以儘量避免使用

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Collection子接口之二：Set接口

Set接口概述

• Set接口是Collection的子接口，Set與Collection基本上完全一樣，因爲Set接口中沒有額外提供新的方法，使用的都是Collection中聲明過的方法。實際上Set就是Collection，只是行爲略有不同（Set不允許包含重複元素）。
• Set 集合不允許包含相同的元素，如果試把兩個相同的元素加入同一個 Set 集合中，則添加操作失敗。
• Set 判斷兩個對象是否相同不是使用 == 運算符，而是根據 equals() 方法

Set實現類之一：HashSet

• HashSet 是 Set 接口的典型實現，大多數時候使用 Set 集合時都使用這個實現類。
• HashSet 按 Hash 算法來存儲集合中的元素，因此具有很好的存取、查找、刪除 性能。
• HashSet 具有以下特點：
  • 不能保證元素的排列順序（無序性）
  • 不可重複性
  • HashSet 不是線程安全的
  • 集合元素可以是 null
• HashSet 集合判斷兩個元素相等的標準：兩個對象通過 hashCode() 方法比較相 等，並且兩個對象的 equals() 方法返回值也相等。
• 對於存放在Set容器中的對象，對應的類一定要重寫equals()和hashCode(Object obj)方法，以實現對象相等規則。即：“相等的對象必須具有相等的散列碼”

HashSet集合存儲數據的結構（哈希表）

什麼是哈希表呢？

在JDK1.8之前，哈希表底層採用數組+鏈表實現，即使用鏈表處理衝突，同一hash值的鏈表都存儲在一個鏈表裏。但是當位於一個桶中的元素較多，即hash值相等的元素較多時，通過key值依次查找的效率較低。而JDK1.8中，哈希表存儲採用數組+鏈表+紅黑樹實現，當鏈表長度超過閾值（8）時，將鏈表轉換爲紅黑樹，這樣大大減少了查找時間。

簡單的來說，哈希表是由數組+鏈表+紅黑樹（JDK1.8增加了紅黑樹部分）實現的。

JDK1.8引入紅黑樹大程度優化了HashMap的性能，那麼對於我們來講保證HashSet集合元素的唯一，其實就是根據對象的hashCode和equals方法來決定的。如果我們往集合中存放自定義的對象，那麼保證其唯一，就必須複寫hashCode和equals方法建立屬於當前對象的比較方式。

添加元素的過程：以HashSet爲例：

當向 HashSet 集合中存入一個元素時，HashSet 會調用該對象的 hashCode() 方法 來得到該對象的 hashCode 值，

然後根據 hashCode 值，通過某種散列函數決定該對象 在 HashSet 底層數組中的存儲位置。
	- 這個散列函數會與底層數組的長度相計算得到在數組中的下標，
	- 並且這種散列函數計算還儘可能保證能均勻存儲元素，越是散列分佈， 該散列函數設計的越好

如果兩個元素的hashCode()值相等，會再繼續調用equals方法，
	如果equals方法結果 爲true，添加失敗；
	如果爲false，那麼會保存該元素，但是該數組的位置已經有元素了， 那麼會通過鏈表的方式繼續鏈接。

如果兩個元素的 equals() 方法返回 true，但它們的 hashCode() 返回值不相等：
	hashSet 將會把它們存儲在不同的位置，但依然可以添加成功

Set實現類之二：LinkedHashSet

• LinkedHashSet 是 HashSet 的子類
• LinkedHashSet 根據元素的 hashCode 值來決定元素的存儲位置， 但它同時使用雙向鏈表維護元素的次序，這使得元素看起來是以插入順序保存的。
• LinkedHashSet插入性能略低於 HashSet，但在迭代訪問 Set 裏的全部元素時有很好的性能。【即對於頻繁的遍歷操作， LinkedHashSet效率高於HashSet】
• LinkedHashSet 不允許集合元素重複

Set實現類之三：TreeSet

• TreeSet 是 SortedSet 接口的實現類，TreeSet 可以確保集合元素處於排序狀態。
• TreeSet底層使用紅黑樹結構存儲數
• 新增的方法如下： (瞭解)

  Comparator comparator()
  Object first() Object last() 
  Object lower(Object e) 
  Object higher(Object e) 
  SortedSet subSet(fromElement, toElement)
  SortedSet headSet(toElement)
  SortedSet tailSet(fromElement)
  

• TreeSet 兩種排序方法：自然排序和定製排序。默認情況下，TreeSet 採用自然排序。
  

排 序—自然排序

• 自然排序：TreeSet 會調用集合元素的 compareTo(Object obj) 方法來比較元素之間的大小關係，然後將集合元素按升序(默認情況)排列
• 如果試圖把一個對象添加到 TreeSet 時，則該對象的類必須實現 Comparable 接口。
  • 實現 Comparable 的類必須實現 compareTo(Object obj) 方法，兩個對象即通過 compareTo(Object obj) 方法的返回值來比較大小。
• Comparable 的典型實現：
  • BigDecimal、BigInteger 以及所有的數值型對應的包裝類：按它們對應的數值大小 進行比較
  • Character：按字符的 unicode值來進行比較
  • Boolean：true 對應的包裝類實例大於 false 對應的包裝類實例
  • String：按字符串中字符的 unicode 值進行比較
  • Date、Time：後邊的時間、日期比前面的時間、日期
• 向 TreeSet 中添加元素時，只有第一個元素無須比較compareTo()方法，後面添 加的所有元素都會調用compareTo()方法進行比較。
• 因爲只有相同類的兩個實例纔會比較大小，所以向 TreeSet 中添加的應該是同 一個類的對象。
• 對於 TreeSet 集合而言，它判斷兩個對象是否相等的唯一標準是：兩個對象通 過 compareTo(Object obj) 方法比較返回值。
• 當需要把一個對象放入 TreeSet 中，重寫該對象對應的 equals() 方法時，應保證該方法與 compareTo(Object obj) 方法有一致的結果：如果兩個對象通過 equals() 方法比較返回 true，則通過 compareTo(Object obj) 方法比較應返回 0。

排 序—定製排序

• TreeSet的自然排序要求元素所屬的類實現Comparable接口，如果元素所屬的類沒 有實現Comparable接口，或不希望按照升序(默認情況)的方式排列元素或希望按照 其它屬性大小進行排序，則考慮使用定製排序。定製排序，通過Comparator接口來 實現。需要重寫compare(T o1,T o2)方法。
• 利用int compare(T o1,T o2)方法，比較o1和o2的大小：如果方法返回正整數，則表 示o1大於o2；如果返回0，表示相等；返回負整數，表示o1小於o2。
• 要實現定製排序，需要將實現Comparator接口的實例作爲形參傳遞給TreeSet的構 造器。
• 此時，仍然只能向TreeSet中添加類型相同的對象。否則發生ClassCastException異 常。
• 使用定製排序判斷兩個元素相等的標準是：通過Comparator比較兩個元素返回了0

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Map接口

• Map與Collection並列存在。用於保存具有映射關係的數據:key-value
• Map 中的 key 和 value 都可以是任何引用類型的數據
• Map 中的 key 用Set來存放，不允許重複，即同一個 Map 對象所對應 的類，須重寫hashCode()和equals()方法  常用String類作爲Map的“鍵”
• key 和 value 之間存在單向一對一關係，即通過指定的 key 總能找到 唯一的、確定的 value
• Map接口的常用實現類：HashMap、TreeMap、LinkedHashMap和 Properties。其中，HashMap是 Map 接口使用頻率最高的實現類

Map接口：常用方法：（點擊這裏）

Map實現類之一：HashMap

• HashMap是 Map 接口使用頻率最高的實現類。
• 允許使用null鍵和null值，與HashSet一樣，不保證映射的順序。
• 所有的key構成的集合是Set:無序的、不可重複的。所以，key所在的類要重寫： equals()和hashCode()
• 所有的value構成的集合是Collection:無序的、可以重複的。所以，value所在的類 要重寫：equals()
• 一個key-value構成一個entry
• 所有的entry構成的集合是Set:無序的、不可重複的
• HashMap 判斷兩個 key 相等的標準是：兩個 key 通過 equals() 方法返回 true， hashCode 值也相等。
• HashMap 判斷兩個 value相等的標準是：兩個 value 通過 equals() 方法返回 true
• HashMap是非同步的（線程不安全），想要線程同步的HashMap可以用HashTable或ConcurrentHashMap。
  
• HashMap的內部存儲結構其實是數組和鏈表的結合。當實例化一個HashMap時， 系統會創建一個長度爲Capacity的Entry數組，這個長度在哈希表中被稱爲容量 (Capacity)，在這個數組中可以存放元素的位置我們稱之爲“桶”(bucket)，每個 bucket都有自己的索引，系統可以根據索引快速的查找bucket中的元素。
• 每個bucket中存儲一個元素，即一個Entry對象，但每一個Entry對象可以帶一個引 用變量，用於指向下一個元素，因此，在一個桶中，就有可能生成一個Entry鏈。 而且新添加的元素作爲鏈表的head。
• 添加元素的過程： 向HashMap中添加entry1(key，value)，需要首先計算entry1中key的哈希值(根據 key所在類的hashCode()計算得到)，此哈希值經過處理以後，得到在底層Entry[]數 組中要存儲的位置i。如果位置i上沒有元素，則entry1直接添加成功。如果位置i上 已經存在entry2(或還有鏈表存在的entry3，entry4)，則需要通過循環的方法，依次 比較entry1中key和其他的entry。如果彼此hash值不同，則直接添加成功。如果 hash值不同，繼續比較二者是否equals。如果返回值爲true，則使用entry1的value 去替換equals爲true的entry的value。如果遍歷一遍以後，發現所有的equals返回都 爲false,則entry1仍可添加成功。entry1指向原有的entry元素。

Map實現類之二：LinkedHashMap

• LinkedHashMap 是 HashMap 的子類
• 在HashMap存儲結構的基礎上，使用了一對雙向鏈表來記錄添加
  元素的順序
  與LinkedHashSet類似，LinkedHashMap 可以維護 Map 的迭代 順序：迭代順序與 Key-Value 對的插入順序一

Map實現類之三：TreeMap

• TreeMap存儲 Key-Value 對時，需要根據 key-value 對進行排序。 TreeMap 可以保證所有的 Key-Value 對處於有序狀態。
• TreeSet底層使用紅黑樹結構存儲數據
• TreeMap 的 Key 的排序：
  • 自然排序：TreeMap 的所有的 Key 必須實現 Comparable 接口，而且所有 的 Key 應該是同一個類的對象，否則將會拋出 ClasssCastException
  • 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。此時不需要 Map 的 Key 實現 Comparable 接口
• TreeMap判斷兩個key相等的標準：兩個key通過compareTo()方法或 者compare()方法返回0。

Map實現類之四：Hashtable

• Hashtable是個古老的 Map 實現類，JDK1.0就提供了。不同於HashMap， Hashtable是線程安全的。
• Hashtable實現原理和HashMap相同，功能相同。底層都使用哈希表結構，查詢 速度快，很多情況下可以互用。
• 與HashMap不同，Hashtable 不允許使用 null 作爲 key 和 value
• 與HashMap一樣，Hashtable 也不能保證其中 Key-Value 對的順序
• Hashtable判斷兩個key相等、兩個value相等的標準，與HashMap一致

Map實現類之五：Properties

• Properties 類是 Hashtable 的子類，該對象用於處理屬性文件
• 由於屬性文件裏的 key、value 都是字符串類型，所以 Properties 裏的 key 和 value 都是字符串類型
• 存取數據時，建議使用setProperty(String key,String value)方法和 getProperty(String key)方法

Properties pros = new Properties();
pros.load(new FileInputStream("jdbc.properties"));
String user = pros.getProperty("user");
System.out.println(user)