Java 集合工具包

Java 集合工具包

Java集合是java提供的工具包，包含了常用的數據結構：集合、鏈表、隊列、棧、數組、映射等。

Java集合工具包位置是java.util.*
Java集合主要可以劃分爲4個部分：

• List列表
• Set集合
• Map映射
• 工具類(Iterator迭代器、Enumeration枚舉類、Arrays和Collections)。

集合的作用

• 在類的內部，對數據進行組織；
• 簡單而快速的搜索大數量的條目；
• 有的集合接口，提供了一系列排列有序的元素，並且可以在序列中間快速的插入或者刪除有關元素；
• 有的集合接口，提供了映射關係，可以通過關鍵字（key）去快速查找對應的唯一對象，而這個關鍵字額可以是任意類型。

與數組的對比—————爲何選擇集合而不是數組

• 數組的長度固定，集合長度可變
• 數組只能通過下標訪問元素，類型固定，而有的集合可以通過任意類型查找所映射的具體對象。

一：集合框架

看上面的框架圖，先抓住它的主幹，即Collection和Map。

Collection接口、子接口以及實現類
Collection接口

• 是List、Set和Queue接口的父接口
• 定義了可用於操作List、Set和Queue的方法-增刪改查

List接口

• List是元素有序並且可以重複的集合，被稱爲序列
• List可以精確的控制每個元素的插入位置，或刪除某個位置元素
• List接口的常用子類：
  ArrayList
  LinkedList
  Vector
  Stack

Set接口

• Set接口中不能加入重複元素，無序
• Set接口常用子類：
  散列存放：HashSet
  有序存放：TreeSet

Map和HashMap

Map接口

• Map提供了一種映射關係，其中的元素是以鍵值對（key-value）的形式存儲的，能夠實現根據key快速查找value
• Map中的鍵值對以Entry類型的對象實例形式存在
• 鍵（key值）不可重複，value值可以
• 每個建最多隻能映射到一個值
• Map接口提供了分別返回key值集合、value值集合以及Entry（鍵值對）集合的方法
• Map支持泛型，形式如：Map<K,V>

HashMap類

• HashMap是Map的一個重要實現類，也是最常用，基於哈希表實現
• HashMap中的Entry對象是無序排列的
• Key值和Value值都可以爲null,但是一個HashMap只能有一個key值爲null的映射（key值不可重複）

Comparable和Comparator

Comparable接口——可比較的

• 實現該接口表示：這個類的實例可以比較大小，可以進行自然排序
• 定義了默認的比較規則
• 其實現類需要實現compareTo()方法
• compareTo()方法返回正數表示大，負數表示小0表示相等

Comparator接口——比較工具接口

• 用於定義臨時比較規則，而不是默認比較規則
• 其實現類需要實現compare()方法
• Comparable和Comparator都是Java集合框架的成員

Iterator接口

• 集合輸出的標準操作
• 標準做法，使用Iterator接口
• 操作原理：
• Iterator是專門的迭代輸出接口，迭代輸出就是將元素一個個進行判斷，判斷其是否有內容，如果有內容則把內容取出。

二：arrayList

ArrayList繼承了AbstractList，實現了List。
構造圖如下:
藍色線條：繼承
綠色線條：接口實現

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

ArrayList 是一個數組隊列，相當於 動態數組。與Java中的數組相比，它的容量能動態增長。它繼承於AbstractList，實現了List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable這些接口。

ArrayList就是用數組實現的List容器,底層用數組實現，ArrayList包含了兩個重要的對象：elementData 和 size。

// 保存ArrayList中數據的數組
private transient Object[] elementData;
// ArrayList中實際數據的數量
private int size;

ArrayList 實現了RandmoAccess接口，即提供了隨機訪問功能。

ArrayList 實現了Cloneable接口，即覆蓋了函數clone()，能被克隆。

ArrayList 實現java.io.Serializable接口，這意味着ArrayList支持序列化，能通過序列化去傳輸。

ArrayList支持3種遍歷方式

• (01) 第一種，通過迭代器遍歷。即通過Iterator去遍歷。
• (02) 第二種，隨機訪問，通過索引值去遍歷。
  由於ArrayList實現了RandomAccess接口，它支持通過索引值去隨機訪問元素。
• (03) 第三種，for循環遍歷。

遍歷ArrayList時，使用隨機訪問(即，通過索引序號訪問)效率最高，而使用迭代器的效率最低！

ArrayList中的操作不是線程安全的！

所以，建議在單線程中才使用ArrayList，而在多線程中可以選擇Vector或者CopyOnWriteArrayList

小結：

• (01) ArrayList 實際上是通過一個數組去保存數據的。當我們構造ArrayList時；若使用默認構造函數，則ArrayList的默認容量大小是10。
• (02) 當ArrayList容量不足以容納全部元素時，ArrayList會重新設置容量：新的容量=“(原始容量x3)/2 + 1”。
• (03) ArrayList的克隆函數，即是將全部元素克隆到一個數組中。
• (04) ArrayList實現java.io.Serializable的方式。當寫入到輸出流時，先寫入“容量”，再依次寫入“每一個元素”；當讀出輸入流時，先讀取“容量”，再依次讀取“每一個元素”。

ArrayList和LinkedList的區別

• ArrayList是實現了基於動態數組的數據結構，LinkedList基於鏈表的數據結構。
• 對於隨機訪問get和set，ArrayList覺得優於LinkedList，因爲LinkedList要移動指針。
• 對於新增和刪除操作add和remove，LinkedList比較佔優勢，因爲ArrayList要移動數據。

ArrayList和Vector的區別

• Vector和ArrayList幾乎是完全相同的,唯一的區別在於Vector是同步類(synchronized)，屬於強同步類。因此開銷就比ArrayList要大，訪問要慢。正常情況下,大多數的Java程序員使用ArrayList而不是Vector,因爲同步完全可以由程序員自己來控制。
• Vector每次擴容請求其大小的2倍空間，而ArrayList是1.5倍。
• Vector還有一個子類Stack.

三：LinkedList

與ArrayList一樣，實現List接口，只是ArrayList是List接口的大小可變數組的實現，LinkedList是List接口鏈表的實現。基於鏈表實現的方式使得LinkedList在插入和刪除時更優於ArrayList，而隨機訪問則比ArrayList遜色些。
構造圖如下:
藍色線條：繼承
綠色線條：接口實現

總結：

• (01) LinkedList 實際上是通過雙向鏈表去實現的。
• 它包含一個非常重要的內部類：Entry。Entry是雙向鏈表節點所對應的數據結構，它包括的屬性有：當前節點所包含的值，上一個節點，下一個節點。
• (02) 從LinkedList的實現方式中可以發現，它不存在LinkedList容量不足的問題。
• (03) LinkedList的克隆函數，即是將全部元素克隆到一個新的LinkedList對象中。
• (04) LinkedList實現java.io.Serializable。當寫入到輸出流時，先寫入“容量”，再依次寫入“每一個節點保護的值”；當讀出輸入流時，先讀取“容量”，再依次讀取“每一個元素”。
• (05) 由於LinkedList實現了Deque，而Deque接口定義了在雙端隊列兩端訪問元素的方法。提供插入、移除和檢查元素的方法。每種方法都存在兩種形式：一種形式在操作失敗時拋出異常，另一種形式返回一個特殊值（null 或 false，具體取決於操作）。

小結

ArrayList和LinkedList的比較

1、順序插入速度ArrayList會比較快，因爲ArrayList是基於數組實現的，數組是事先new好的，只要往指定位置塞一個數據就好了；LinkedList則不同，每次順序插入的時候LinkedList將new一個對象出來，如果對象比較大，那麼new的時間勢必會長一點，再加上一些引用賦值的操作，所以順序插入LinkedList必然慢於ArrayList

2、基於上一點，因爲LinkedList裏面不僅維護了待插入的元素，還維護了Entry的前置Entry和後繼Entry，如果一個LinkedList中的Entry非常多，那麼LinkedList將比ArrayList更耗費一些內存

3、數據遍歷的速度，ArrayList使用最普通的for循環遍歷比較快，LinkedList使用foreach循環比較快。如果各自比較，結論是：使用各自遍歷效率最高的方式，ArrayList的遍歷效率會比LinkedList的遍歷效率高一些

4、有些說法認爲LinkedList做插入和刪除更快，這種說法其實是不準確的：

（1）LinkedList做插入、刪除的時候，慢在尋址，快在只需要改變前後Entry的引用地址

（2）ArrayList做插入、刪除的時候，慢在數組元素的批量copy，快在尋址

所以，如果待插入、刪除的元素是在數據結構的前半段尤其是非常靠前的位置的時候，LinkedList的效率將大大快過ArrayList，因爲ArrayList將批量copy大量的元素；越往後，對於LinkedList來說，因爲它是雙向鏈表，所以在第2個元素後面插入一個數據和在倒數第2個元素後面插入一個元素在效率上基本沒有差別，但是ArrayList由於要批量copy的元素越來越少，操作速度必然追上乃至超過LinkedList。

從這個分析看出，如果你十分確定你插入、刪除的元素是在前半段，那麼就使用LinkedList；如果你十分確定你刪除、刪除的元素在比較靠後的位置，那麼可以考慮使用ArrayList。如果你不能確定你要做的插入、刪除是在哪兒呢？那還是建議你使用LinkedList吧，因爲一來LinkedList整體插入、刪除的執行效率比較穩定，沒有ArrayList這種越往後越快的情況；二來插入元素的時候，弄得不好ArrayList就要進行一次擴容。

記住，ArrayList底層數組擴容是一個既消耗時間又消耗空間的操作。

四：HashMap

ArrayList、LinkedList，反映的是兩種思想：

ArrayList以數組形式實現，順序插入、查找快，插入、刪除較慢
LinkedList以鏈表形式實現，順序插入、查找較慢，插入、刪除方便
那麼是否有一種數據結構能夠結合上面兩種的優點呢？有，答案就是HashMap。

HashMap是基於哈希表的 Map 接口的實現，以key-value的形式存在。
構造圖如下:
藍色線條：繼承
綠色線條：接口實現

HashMap 是一個散列表，它存儲的內容是鍵值對(key-value)映射。
HashMap繼承於AbstractMap，實現了Map、Cloneable、java.io.Serializable接口。
HashMap 的實現不是同步的，這意味着它不是線程安全的。它的key、value都可以爲null。此外，HashMap中的映射不是有序的。

HashMap的底層結構是一個數組，而數組的元素是一個單向鏈表

HashMap和Hashtable的區別

• 兩者最主要的區別在於Hashtable是線程安全，而HashMap則非線程安全

Hashtable的實現方法裏面都添加了synchronized關鍵字來確保線程同步，因此相對而言HashMap性能會高一些，我們平時使用時若無特殊需求建議使用HashMap，在多線程環境下若使用HashMap需要使用Collections.synchronizedMap()方法來獲取一個線程安全的集合（Collections.synchronizedMap()實現原理是Collections定義了一個SynchronizedMap的內部類，這個類實現了Map接口，在調用方法時使用synchronized來保證線程同步,當然了實際上操作的還是我們傳入的HashMap實例，簡單的說就是Collections.synchronizedMap()方法幫我們在操作HashMap時自動添加了synchronized來實現線程同步，類似的其它Collections.synchronizedXX方法也是類似原理）

• HashMap可以使用null作爲key，而Hashtable則不允許null作爲key

雖說HashMap支持null值作爲key，不過建議還是儘量避免這樣使用，因爲一旦不小心使用了，若因此引發一些問題，排查起來很是費事

HashMap以null作爲key時，總是存儲在table數組的第一個節點上

• HashMap是對Map接口的實現，HashTable實現了Map接口和Dictionary抽象類
• HashMap的初始容量爲16，Hashtable初始容量爲11，兩者的填充因子默認都是0.75

HashMap擴容時是當前容量翻倍即:capacity2，Hashtable擴容時是容量翻倍+1即:capacity2+1

• HashMap和Hashtable的底層實現都是數組+鏈表結構實現
• 兩者計算hash的方法不同

Hashtable計算hash是直接使用key的hashcode對table數組的長度直接進行取模

int hash = key.hashCode();
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;

HashMap計算hash對key的hashcode進行了二次hash，以獲得更好的散列值，然後對table數組長度取摸

static int hash(int h) {
        // This function ensures that hashCodes that differ only by
        // constant multiples at each bit position have a bounded
        // number of collisions (approximately 8 at default load factor).
        h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
        return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
    }

 static int indexFor(int h, int length) {
        return h & (length-1);
    }

五：TreeMap

TreeMap是基於紅黑樹結構實現的一種Map，要分析TreeMap的實現首先就要對紅黑樹有所瞭解。
構造圖如下:
藍色線條：繼承
綠色線條：接口實現

public class TreeMap<K,V>
    extends AbstractMap<K,V>
    implements NavigableMap<K,V>, Cloneable, java.io.Serializable

TreeMap 是一個有序的key-value集合，它是通過紅黑樹實現的。
TreeMap 繼承於AbstractMap，所以它是一個Map，即一個key-value集合。
TreeMap 實現了NavigableMap接口，意味着它支持一系列的導航方法。比如返回有序的key集合。
TreeMap 實現了Cloneable接口，意味着它能被克隆。
TreeMap 實現了java.io.Serializable接口，意味着它支持序列化。

TreeMap基於紅黑樹（Red-Black tree）實現。該映射根據其鍵的自然順序進行排序，或者根據創建映射時提供的 Comparator 進行排序，具體取決於使用的構造方法。
TreeMap的基本操作 containsKey、get、put 和 remove 的時間複雜度是 log(n) 。
另外，TreeMap是非同步的。 它的iterator 方法返回的迭代器是fail-fast的。

六：HashSet

Set的實現類都是基於Map來實現的(HashSet是通過HashMap實現的)。
構造圖如下:
藍色線條：繼承
綠色線條：接口實現

public class HashSet<E>
     extends AbstractSet<E>
     implements Set<E>, Cloneable, java.io.Serializable

HashSet 是一個沒有重複元素的集合。
它是由HashMap實現的，不保證元素的順序，而且HashSet允許使用 null 元素。
HashSet是非同步的。如果多個線程同時訪問一個哈希 set，而其中至少一個線程修改了該 set，那麼它必須 保持外部同步。這通常是通過對自然封裝該 set 的對象執行同步操作來完成的。如果不存在這樣的對象，則應該使用 Collections.synchronizedSet 方法來“包裝” set。最好在創建時完成這一操作，以防止對該 set 進行意外的不同步訪問：

Set s = Collections.synchronizedSet(new HashSet(...));

HashSet通過iterator()返回的迭代器是fail-fast的。

// 底層使用HashMap來保存HashSet的元素
    private transient HashMap<E,Object> map;
    // Dummy value to associate with an Object in the backing Map
    // 由於Set只使用到了HashMap的key，所以此處定義一個靜態的常量Object類，來充當HashMap的value
    private static final Object PRESENT = new Object();

HashSet是用HashMap來保存數據，而主要使用到的就是HashMap的key。

小結

HashSet和HashMap、Hashtable的區別

HashMap	HashSet
HashMap 實現了Map 接口	HashSet實現了set 接口
HashMap 儲存鍵值對	HashSet僅僅存儲對象
使用put()方法將元素放入map 中	使用add()方法將元素放入set 中
HashMap中使用鍵對象來計算 hashCode值	HashSet使用成員對象來計算hashcode 值，對於兩個對象來說hashcode 可能相同，所以equals（）方法用來判斷對象的相等性，如果兩個對象不同的話，那麼返回false
HashMap 比較快，因爲是使用唯一的鍵來獲取對象	HashSet較HashMap 來說比較慢