JavaSE进阶（三）-集合

taamr
Java
发布日期:   2022-03-17
文章字数:   4.5k

Java集合

 一方面， 面向对象语言对事物的体现都是以对象的形式，为了方便对多个对象的操作，就要对对象进行存储。另一方面，使用Array存储对象方面具有一些弊端，而Java 集合就像一种容器，可以动态地把多个对象的引用放入容器中。

数组在内存存储方面的特点：

 数组初始化以后，长度就确定了。

 数组声明的类型，就决定了进行元素初始化时的类型

数组在存储数据方面的弊端：
 数组初始化以后，长度就不可变了，不便于扩展

 数组中提供的属性和方法少，不便于进行添加、删除、插入等操作，且效率不高。同时无法直接获取存储元素的个数

 数组存储的数据是有序的、可以重复的。—->存储数据的特点单一

Java 集合类可以用于存储数量不等的多个对象，还可用于保存具有映射关系的关联数组。

Java 集合可分为 Collection 和 Map 两种体系

Collection接口：单列数据，定义了存取一组对象的方法的集合，子接口有
 List：元素有序、可重复的集合
 Set：元素无序、不可重复的集合

collection接口继承树

Map接口：双列数据，保存具有映射关系“key-value对”的集合

Map接口继承树

Collection接口方法

概述

Collection 接口是 List、Set 和 Queue 接口的父接口，该接口里定义的方法既可用于操作 Set 集合，也可用于操作 List 和 Queue 集合。JDK不提供此接口的任何直接实现，而是提供更具体的子接口(如：Set和List)实现。在 Java5 之前，Java 集合会丢失容器中所有对象的数据类型，把所有对象都当成 Object 类型处理；从 JDK 5.0 增加了泛型以后，Java 集合可以记住容器中对象的数据类型。

1、添加
	add(Object obj)
	addAll(Collection coll)
2、获取有效元素的个数
	int size()
3、清空集合
	void clear()
4、是否是空集合
	boolean isEmpty()
5、是否包含某个元素
	boolean contains(Object obj);//是通过元素的equals方法来判断是否是同一个对象
	boolean containsAll(Collection c);//也是调用元素的equals方法来比较的。拿两个集合的元素挨个比较。
6、删除
	boolean remove(Object obj);//通过元素的equals方法判断是否是要删除的那个元素。只会删除找到的第一个元素
	boolean removeAll(Collection coll);//取当前集合的差集
7、取两个集合的交集
	boolean retainAll(Collection c);//把交集的结果存在当前集合中，不影响c
8、集合是否相等
	boolean equals(Object obj)
9、转成对象数组
	Object[] toArray()
10、获取集合对象的哈希值
	hashCode()
11、遍历
	iterator();//返回迭代器对象，用于集合遍历

Iterator迭代器接口

Iterator对象称为迭代器(设计模式的一种)，主要用于遍历 Collection 集合中的元素。
GOF给迭代器模式的定义为：提供一种方法访问一个容器(container)对象中各个元素，而又不需暴露该对象的内部细节。迭代器模式，就是为容器而生。类似于“公交车上的售票员”、“火车上的乘务员”、“空姐”。

Collection接口继承了java.lang.Iterable接口，该接口有一个iterator()方法，那么所有实现了Collection接口的集合类都有一个iterator()方法，用以返回一个实现了Iterator接口的对象。Iterator 仅用于遍历集合，Iterator 本身并不提供承装对象的能力。如果需要创建Iterator 对象，则必须有一个被迭代的集合。集合对象每次调用iterator()方法都得到一个全新的迭代器对象，默认游标都在集合的第一个元素之前。

Iterator接口的方法

boolean hasNext();  // 判断是否还有下一个元素
E next();  // ①指针下移 ②将下移以后集合位置上的元素返回
void remove();// 删除元素

Iterator可以删除集合的元素，但是是遍历过程中通过迭代器对象的remove方法，不是集合对象的remove方法。
如果还未调用next()或在上一次调用 next 方法之后已经调用了 remove 方法，再调用remove都会报IllegalStateException。

foreach循环遍历集合

Java 5.0 提供了 foreach 循环迭代访问 Collection和数组。遍历操作不需获取Collection或数组的长度，无需使用索引访问元素。遍历集合的底层调用Iterator接口完成操作。foreach还可以用来遍历数组。

foreach

Collection子接口之一：List接口

鉴于Java中数组用来存储数据的局限性，我们通常使用List替代数组，List集合类中元素有序、且可重复，集合中的每个元素都有其对应的顺序索引。List容器中的元素都对应一个整数型的序号记载其在容器中的位置，可以根据序号存取容器中的元素。JDK API中List接口的实现类常用的有：ArrayList、LinkedList和Vector。

List接口方法

List除了从Collection集合继承的方法外，List 集合里添加了一些根据索引来操作集合元素的方法。

void add(int index, Object ele);//在index位置插入ele元素
boolean addAll(int index, Collection eles);//从index位置开始将eles中的所有元素添加进来
Object get(int index);//获取指定index位置的元素
int indexOf(Object obj);//返回obj在集合中首次出现的位置
int lastIndexOf(Object obj);//返回obj在当前集合中末次出现的位置
Object remove(int index);//移除指定index位置的元素，并返回此元素
Object set(int index, Object ele);//设置指定index位置的元素为ele
List subList(int fromIndex, int toIndex);//返回从fromIndex到toIndex位置的子集合

List实现类之一：ArrayList

ArrayList 是 List 接口的典型实现类、主要实现类本质上，ArrayList是对象引用的一个”变长”数组ArrayList的JDK1.8之前与之后的实现区别？

JDK1.7：ArrayList像饿汉式，直接创建一个初始容量为10的数组
JDK1.8：ArrayList像懒汉式，一开始创建一个长度为0的数组，当添加第一个元素时再创建一个始容量为10的数组

Arrays.asList(…) 方法返回的 List 集合，既不是 ArrayList 实例，也不是Vector 实例。 Arrays.asList(…) 返回值是一个固定长度的 List 集合

List实现类之二：LinkedList

对于频繁的插入或删除元素的操作，建议使用LinkedList类，效率较高

新增方法：

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

LinkedList：双向链表，内部没有声明数组，而是定义了Node类型的first和last，用于记录首末元素。同时，定义内部类Node，作为LinkedList中保存数据的基本结构。Node除了保存数据，还定义了两个变量：
 prev变量记录前一个元素的位置
 next变量记录下一个元素的位置

内部类Node

链表存储结构

List 实现类之三：Vector

Vector 是一个古老的集合，JDK1.0就有了。大多数操作与ArrayList相同，区别之处在于Vector是线程安全的。在各种list中，最好把ArrayList作为缺省选择。当插入、删除频繁时，使用LinkedList；Vector总是比ArrayList慢，所以尽量避免使用。

新增方法：

void addElement(Object obj)
void insertElementAt(Object obj,int index)
void setElementAt(Object obj,int index)
void removeElement(Object obj)
void removeAllElements()

Collection子接口之二：Set接口

Set接口是Collection的子接口，set接口没有提供额外的方法。Set 集合不允许包含相同的元素，如果试把两个相同的元素加入同一个Set 集合中，则添加操作失败。Set 判断两个对象是否相同不是使用 == 运算符，而是根据 equals() 方法

Set接口实现类之一 ： HashSet

HashSet 是 Set 接口的典型实现，大多数时候使用 Set 集合时都使用这个实现类。HashSet 按 Hash 算法来存储集合中的元素，因此具有很好的存取、查找、删除性能。HashSet 具有以下特点：
 不能保证元素的排列顺序
 HashSet 不是线程安全的
 集合元素可以是 null

HashSet 集合判断两个元素相等的标准：两个对象通过 hashCode() 方法比较相等，并且两个对象的 equals() 方法返回值也相等。对于存放在Set容器中的对象，对应的类一定要重写equals()和hashCode(Object obj)方法，以实现对象相等规则。即：“相等的对象必须具有相等的散列码”。

向HashSet中添加元素的过程：

 当向 HashSet 集合中存入一个元素时，HashSet 会调用该对象的 hashCode() 方法来得到该对象的 hashCode 值，然后根据 hashCode 值，通过某种散列函数决定该对象在 HashSet 底层数组中的存储位置。（这个散列函数会与底层数组的长度相计算得到在数组中的下标，并且这种散列函数计算还尽可能保证能均匀存储元素，越是散列分布，该散列函数设计的越好）

 如果两个元素的hashCode()值相等，会再继续调用equals方法，如果equals方法结果为true，添加失败；如果为false，那么会保存该元素，但是该数组的位置已经有元素了，那么会通过链表的方式继续链接。

 如果两个元素的 equals() 方法返回 true，但它们的 hashCode() 返回值不相等，hashSet 将会把它们存储在不同的位置，但依然可以添加成功。

HashSet存储结构

重写 hashCode() 方法的基本原则

在程序运行时，同一个对象多次调用 hashCode() 方法应该返回相同的值。当两个对象的 equals() 方法比较返回 true 时，这两个对象的 hashCode() 方法的返回值也应相等。对象中用作 equals() 方法比较的 Field，都应该用来计算 hashCode 值。

重写 equals() 方法的基本原则

以自定义的Customer类为例，何时需要重写equals()？
当一个类有自己特有的“逻辑相等”概念,当改写equals()的时候，总是要改写hashCode()，根据一个类的equals方法（改写后），两个截然不同的实例有可能在逻辑上是相等的，但是，根据Object.hashCode()方法，它们仅仅是两个对象。

因此，违反了“相等的对象必须具有相等的散列码”。
结论：复写equals方法的时候一般都需要同时复写hashCode方法。通常参与计算hashCode的对象的属性也应该参与到equals()中进行计算。

Set实现类之二：LinkedHashSet

LinkedHashSet 是 HashSet 的子类LinkedHashSet 根据元素的 hashCode 值来决定元素的存储位置，但它同时使用双向链表维护元素的次序，这使得元素看起来是以插入顺序保存的。LinkedHashSet插入性能略低于 HashSet，但在迭代访问 Set 里的全部元素时有很好的性能。LinkedHashSet 不允许集合元素重复。

LinkedHashSet底层结构

Set实现类之三：TreeSet

TreeSet 是 SortedSet 接口的实现类，TreeSet 可以确保集合元素处于排序状态。TreeSet底层使用红黑树结构存储数据。新增的方法如下： 

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 两种排序方法：自然排序和定制排序。默认情况下，TreeSet 采用自然排序。

红黑树存储结构

Map接口

Map与Collection并列存在。用于保存具有映射关系的数据:key-value，key 和 value 都可以是任何引用类型的数据。Map 中的 key 用Set来存放，不允许重复，即同一个 Map 对象所对应的类，须重写hashCode()和equals()方法

常用String类作为Map的“键”

key 和 value 之间存在单向一对一关系，即通过指定的 key 总能找到唯一的、确定的 value。Map接口的常用实现类：HashMap、TreeMap、LinkedHashMap和Properties。其中，HashMap是 Map 接口使用频率最高的实现类

Map接口常用方法

	//添加、删除、修改操作：
Object put(Object key,Object value);//将指定key-value添加到(或修改)当前map对象中
void putAll(Map m);//将m中的所有key-value对存放到当前map中
Object remove(Object key);//移除指定key的key-value对，并返回value
void clear();//清空当前map中的所有数据
	//元素查询的操作：
Object get(Object key);//获取指定key对应的value
boolean containsKey(Object key);//是否包含指定的key
boolean containsValue(Object value);//是否包含指定的value
int size();//返回map中key-value对的个数
boolean isEmpty();//判断当前map是否为空
boolean equals(Object obj);//判断当前map和参数对象obj是否相等
	//元视图操作的方法：
Set keySet();//返回所有key构成的Set集合
Collection values();//返回所有value构成的Collection集合
Set entrySet();//返回所有key-value对构成的Set集合

Map实现类之一：HashMap

HashMap是 Map 接口使用频率最高的实现类。 允许使用null键和null值，与HashSet一样，不保证映射的顺序。 所有的key构成的集合是Set:无序的、不可重复的。所以，key所在的类要重写： equals()和hashCode() 。所有的value构成的集合是Collection:无序的、可以重复的。所以，value所在的类 要重写：equals()

一个key-value构成一个entry
所有的entry构成的集合是Set:无序的、不可重复的

HashMap 判断两个 key 相等的标准是：两个 key 通过 equals() 方法返回 true， hashCode 值也相等。
HashMap 判断两个 value相等的标准是：两个 value 通过 equals() 方法返回 true。

HashMap的存储结构

JDK 7及以前版本：HashMap是数组+链表结构(即为链地址法)
JDK 8版本发布以后：HashMap是数组+链表+红黑树实现。

JDK7

JDK8

HashMap源码中的重要常量

DEFAULT_INITIAL_CAPACITY : HashMap的默认容量，16 
MAXIMUM_CAPACITY ： HashMap的最大支持容量，2^30 
DEFAULT_LOAD_FACTOR：HashMap的默认加载因子 
TREEIFY_THRESHOLD：Bucket中链表长度大于该默认值，转化为红黑树 
UNTREEIFY_THRESHOLD：Bucket中红黑树存储的Node小于该默认值，转化为链表
MIN_TREEIFY_CAPACITY：桶中的Node被树化时最小的hash表容量。（当桶中Node的 数量大到需要变红黑树时，若hash表容量小于MIN_TREEIFY_CAPACITY时，此时应执行 resize扩容操作这个MIN_TREEIFY_CAPACITY的值至少是TREEIFY_THRESHOLD的4 倍。） 
table：存储元素的数组，总是2的n次幂 
entrySet：存储具体元素的集 
size：HashMap中存储的键值对的数量 
modCount：HashMap扩容和结构改变的次数。 
threshold：扩容的临界值，=容量*填充因子 
loadFactor：填充因子

Map实现类之二：LinkedHashMap

LinkedHashMap 是 HashMap 的子类，在HashMap存储结构的基础上，使用了一对双向链表来记录添加元素的顺序。与LinkedHashSet类似，LinkedHashMap 可以维护 Map 的迭代。顺序：迭代顺序与 Key-Value 对的插入顺序一致

Map实现类之三：TreeMap

TreeMap存储 Key-Value 对时，需要根据 key-value 对进行排序。TreeMap 可以保证所有的 Key-Value 对处于有序状态。TreeSet底层使用红黑树结构存储数据

TreeMap 的 Key 的排序：

自然排序：TreeMap 的所有的 Key 必须实现 Comparable 接口，而且所有的 Key 应该是同一个类的对象，否则将会抛出 ClasssCastException

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。此时不需要 Map 的 Key 实现

Comparable 接口
 TreeMap判断两个key相等的标准：两个key通过compareTo()方法或者compare()方法返回0。

Map实现类之四：Hashtable

Hashtable是个古老的 Map 实现类，JDK1.0就提供了。不同于HashMap，Hashtable是线程安全的。Hashtable实现原理和HashMap相同，功能相同。底层都使用哈希表结构，查询速度快，很多情况下可以互用。
与HashMap不同，Hashtable 不允许使用 null 作为 key 和 value
与HashMap一样，Hashtable 也不能保证其中 Key-Value 对的顺序
Hashtable判断两个key相等、两个value相等的标准，与HashMap一致。

Map实现类之五：Properties

Properties 类是 Hashtable 的子类，该对象用于处理属性文件。由于属性文件里的 key、value 都是字符串类型，所以 Properties 里的 key 和 value 都是字符串类型。存取数据时，建议使用setProperty(String key,String value)方法和getProperty(String key)方法

Collections工具类

Collections 是一个操作 Set、List 和 Map 等集合的工具类。（操作数组的工具类：Arrays）

Collections 中提供了一系列静态的方法对集合元素进行排序、查询和修改等操作，还提供了对集合对象设置不可变、对集合对象实现同步控制等方法

排序操作：（均为static方法）
	reverse(List)：反转 List 中元素的顺序
	shuffle(List)：对 List 集合元素进行随机排序
	sort(List)：根据元素的自然顺序对指定 List 集合元素按升序排序
	sort(List，Comparator)：根据指定的 Comparator 产生的顺序对 List 集合元素进行排序
	swap(List，int， int)：将指定 list 集合中的 i 处元素和 j 处元素进行交换

Collections常用方法

查找、替换
Object max(Collection);//根据元素的自然顺序，返回给定集合中的最大元素
Object max(Collection，Comparator);//根据 Comparator 指定的顺序，返回给定集合中的最大元素
Object min(Collection);//根据元素的自然顺序，返回给定集合中的最小元素
Object min(Collection，Comparator);//根据 Comparator 指定的顺序，返回给定集合中的最小元素
int frequency(Collection，Object);//返回指定集合中指定元素的出现次数
void copy(List dest,List src);//将src中的内容复制到dest中
boolean replaceAll(List list，Object oldVal，Object newVal);//使用新值替换List 对象的所有旧值

Collections 类中提供了多个 synchronizedXxx() 方法，该方法可使将指定集合包装成线程同步的集合，从而可以解决多线程并发访问集合时的线程安全问题

文章作者: meta-taamr
文章链接: http://www.meta-sec.top/2022/03/17/javase-jin-jie-san-ji-he/
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