JAVA容器详解

Posted 2023-04-02 诗酒趁年华527

系列文章目录

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文章目录

• 系列文章目录
• 前言
• 一、为什么引入Java容器？
• 二、Java容器分类
• • 1.Collection
  • • (1).List
    • (2).Set
    • (3).Queue
  • 2.Map
• 补漏查缺小知识
• 参考

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前言

这篇文章主要是介绍java容器的分类和一些用法。

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一、为什么引入Java容器？

为什么要引入Java容器？
我们知道，如果定义一个int数组，需要一开始就要制定它的大小。在一些情况下，我们根本不知道它的长度是多少，开辟很大的长度会导致空间浪费。
此外，数组还有很多缺点，例如数组中提供的方法非常有限，对于添加、删除、插入数据等操作，非常不便，同时效率不高。获取数据中实际元素的个数的需求，数组没有现成的属性或方法可用。数组存储数据的特点：有序、可重复。对于无序、不可重复的需求，不能满足。
为了数组能够更灵活的应用，提出了Java容器的概念。

二、Java容器分类

Java的容器主要分为2个大类，即Collection和Map。Collection代表着集合，类似数组，只保存一个数字。而Map则是映射，保留键值对两个值。
根据图，首先提一下List Queue Set Map 这四个的区别。

• List(对付顺序的好帮手): 存储的元素是有序的、可重复的。
• Set (注重独一无二的性质)：存储的元素是无序的、不可重复的。
• Queue (实现排队功能的叫号机):按特定的排队规则来确定先后顺序，存储的元素是有序的、可重复的。
• Map (用 key 来搜索的专家) :使用键值对（key-value）存储，类似于数学上的函数 y=f(x)，“x” 代表 key，“y” 代表 value，key 是无序的、不可重复的，value 是无序的、可重复的，每个键最多映射到一个值。

接下来我们就来深入探究一下吧。

1.Collection

(1).List

名称	底层	线程安全性	优点	扩容机制
ArrayList	数组	线程不安全	查找快，增删慢	首次创建长度为10，扩为1.5倍
Vector	数组	线程同步线程安全	查找快，增删慢	首次创建长度为10，*2
LinkedList	双向链表(JDK1.6 之前为循环链表，JDK1.7 取消了循环)	线程不安全	增删快，查找慢	不主动扩容

(2).Set

名称	底层	线程安全性	备注
HashSet	HashMap(数组+链表)	线程不安全	注意hashcode和equals()
LinkedHashSet	链表和哈希表	线程不安全	HashSet的子类，元素的插入和取出顺序满足 FIFO
TreeSet	红黑树	线程不安全	支持对元素自定义排序规则

TreeSet中的自然排序和定制排序
（1）自然排序：在所属的类中加上排序

实现类

package TreeSet;

//1.自然排序
public class Person implements Comparable
    private int age;
    private String name;
    private int score;

    public Person(int age,String name,int score)
        this.age=age;
        this.name=name;
        this.score=score;
    
    
    @Override
    public int compareTo(Object o) 
        //强制转换对象
        //按年龄和分数排序 都是从大到小
        if(o instanceof Person)
            Person O=(Person) o;//强转类型
            if(this.age!=O.age)
            return this.age-O.age;//this是当前的主体，此时返回的应该是升序
            else return O.score-this.score;
        else throw new RuntimeException("不属于此类型");
    

    @Override
    public String toString() 
        return "Person" +
                "age=" + age +
                ", name='" + name + '\\'' +
                ", score=" + score +
                '';
    

测试类

package TreeSet;

import java.util.Arrays;

public class Test 
    public static void main(String[] args) 
        Person[] person=new Person[3];
        person[0]=new Person(5,"guolu",99);
        person[1]=new Person(3,"cherry",98);
        person[2]=new Person(5,"cherry",98);
        Arrays.sort(person);//别忘了这句话；
        for(int i=0;i<3;i++)
            System.out.println(person[i].toString());
        
    

(2)定制排序：向其中传入已经重写Comparator中方法的对象。

public class Test 
    public static void main(String[] args) 
        Person[] person=new Person[3];
        person[0]=new Person(5,"guolu",99);
        person[1]=new Person(3,"cherry",98);
        person[2]=new Person(2,"cherry",98);

        Comparator com=new Comparator() 
            @Override
            public int compare(Object o1, Object o2) 
                Person p1=(Person)o1;
                Person p2=(Person)o2;
                return p1.getAge()-p2.getAge();//得确保有get和set接口，这边好像不太好用compareTo,暂时不知道为啥
            
        ;
        Arrays.sort(person,com);
        for(int i=0;i<3;i++)
            System.out.println(person[i].toString());
        
    

(3).Queue

queue:单向队列
deque:双向队列
PriorityQueue 是非线程安全的，默认小顶堆，但可以接收一个 Comparator 作为构造参数，从而来自定义元素优先级的先后。

2.Map

名称	底层	线程安全性	备注	扩容机制
HashMap	数组+链表（jdk7） 数组+链表+红黑树 （jdk8）	线程不安全	能存储null的key和value	首次创建长度16，扩容2倍，jdk8中当数组的某一个索引位置上的元素以链表形式存在的数据个数>8且当前的数组长度>64时，此索引位置上的所有数据改为使用红黑树存储
LinkedHashMap	同hashmap	线程不安全	比hashmap多了指向前驱和后继的两个指针
ConcurrentHashMap	同hashmap	线程安全	使用16个锁来控制segments,分段锁
HashTable	数组+链表	线程安全，全表锁	不能存储null的key和value	首次创建时长度为11，后来变为2n+1
TreeMap	红黑树	线程不安全	定制排序

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补漏查缺小知识

1.集合转换为数组

Collection coll=new ArrayList();
Object arr[]=coll.toArray();
for(int i=0;i<arr.length;i++)
System.out.println(arr[i]);

2.数组转换为集合
asList后面的必须接引用类型

List<String> list=Arrays.asList(new String[]"AA","BB","CC");
System.out.println(list);

3.红黑树
参考：红黑树

参考

javaguide、尚硅谷

Java容器详解

线性表，链表，哈希表是常用的数据结构，在进行Java开发时，JDK已经为我们提供了一系列相应的类来实现基本的数据结构。这些类均在java.util包中。在Java中，容器的类型主要有：List、Set、Stack、Queue、Map这几种类型，其关系如下：

Collection 接口
├List       接口
│├LinkedList       链表
│├ArrayList         顺序结构动态数组类
│└Vector         向量
│ └Stack       栈
└Set
Map
├Hashtable
├HashMap
└WeakHashMap List接口

Collection接口
　 　Collection是最基本的集合接口，一个Collection代表一组Object，即Collection的元素（Elements）。一些 Collection允许相同的元素而另一些不行。一些能排序而另一些不行。Java SDK不提供直接继承自Collection的类，Java SDK提供的类都是继承自Collection的“子接口”如List和Set。
　　所有实现Collection接口的类都必须提供两个标准的 构造函数：无参数的构造函数用于创建一个空的Collection，有一个Collection参数的构造函数用于创建一个新的Collection，这 个新的Collection与传入的Collection有相同的元素。后一个构造函数允许用户复制一个Collection。
　　如何遍历Collection中的每一个元素？不论Collection的实际类型如何，它都支持一个iterator()的方法，该方法返回一个迭代子，使用该迭代子即可逐一访问Collection中每一个元素。典型的用法如下：
　　　　Iterator it = collection.iterator(); // 获得一个迭代子
　　　　while(it.hasNext()) {
　　　　　　Object obj = it.next(); // 得到下一个元素
　　　　}
　　由Collection接口派生的两个接口是List和Set。

List接口
　　List是有序的Collection，使用此接口能够精确的控制每个元素插入的位置。用户能够使用索引（元素在List中的位置，类似于数组下标）来访问List中的元素，这类似于Java的数组。
和下面要提到的Set不同，List允许有相同的元素。
　 　除了具有Collection接口必备的iterator()方法外，List还提供一个listIterator()方法，返回一个 ListIterator接口，和标准的Iterator接口相比，ListIterator多了一些add()之类的方法，允许添加，删除，设定元素， 还能向前或向后遍历。
　　实现List接口的常用类有LinkedList，ArrayList，Vector和Stack。

LinkedList类
　 　LinkedList实现了List接口，允许null元素。此外LinkedList提供额外的get，remove，insert方法在 LinkedList的首部或尾部。这些操作使LinkedList可被用作堆栈（stack），队列（queue）或双向队列（deque）。
　　注意LinkedList没有同步方法。如果多个线程同时访问一个List，则必须自己实现访问同步。一种解决方法是在创建List时构造一个同步的List：
　　　　List list = Collections.synchronizedList(new LinkedList(...));

ArrayList类
　　ArrayList实现了可变大小的数组。它允许所有元素，包括null。ArrayList没有同步。
size，isEmpty，get，set方法运行时间为常数。但是add方法开销为分摊的常数，添加n个元素需要O(n)的时间。其他的方法运行时间为线性。
　 　每个ArrayList实例都有一个容量（Capacity），即用于存储元素的数组的大小。这个容量可随着不断添加新元素而自动增加，但是增长算法并 没有定义。当需要插入大量元素时，在插入前可以调用ensureCapacity方法来增加ArrayList的容量以提高插入效率。
　　和LinkedList一样，ArrayList也是非同步的（unsynchronized）。

Vector类
　 　Vector非常类似ArrayList，但是Vector是同步的。由Vector创建的Iterator，虽然和ArrayList创建的 Iterator是同一接口，但是，因为Vector是同步的，当一个Iterator被创建而且正在被使用，另一个线程改变了Vector的状态（例 如，添加或删除了一些元素），这时调用Iterator的方法时将抛出ConcurrentModificationException，因此必须捕获该 异常。

Stack 类
　　 Stack继承自Vector，实现一个后进先出的堆栈。Stack提供5个额外的方法使得Vector得以被当作堆栈使用。基本的push和pop方 法，还有peek方法得到栈顶的元素，empty方法测试堆栈是否为空，search方法检测一个元素在堆栈中的位置。Stack刚创建后是空栈。

Set接口
　　Set是一种不包含重复的元素的Collection，即任意的两个元素e1和e2都有e1.equals(e2)=false，Set最多有一个null元素。
　　很明显，Set的构造函数有一个约束条件，传入的Collection参数不能包含重复的元素。
　　请注意：必须小心操作可变对象（Mutable Object）。如果一个Set中的可变元素改变了自身状态导致Object.equals(Object)=true将导致一些问题。

Map接口
　 　请注意，Map没有继承Collection接口，Map提供key到value的映射。一个Map中不能包含相同的key，每个key只能映射一个 value。Map接口提供3种集合的视图，Map的内容可以被当作一组key集合，一组value集合，或者一组key-value映射。

Hashtable类
　　Hashtable继承Map接口，实现一个key-value映射的哈希表。任何非空（non-null）的对象都可作为key或者value。
　　添加数据使用put(key, value)，取出数据使用get(key)，这两个基本操作的时间开销为常数。
Hashtable 通过initial capacity和load factor两个参数调整性能。通常缺省的load factor 0.75较好地实现了时间和空间的均衡。增大load factor可以节省空间但相应的查找时间将增大，这会影响像get和put这样的操作。
使用Hashtable的简单示例如下，将1，2，3放到Hashtable中，他们的key分别是”one”，”two”，”three”：
　　　　Hashtable numbers = new Hashtable();
　　　　numbers.put(“one”, new Integer(1));
　　　　numbers.put(“two”, new Integer(2));
　　　　numbers.put(“three”, new Integer(3));
　　要取出一个数，比如2，用相应的key：
　　　　Integer n = (Integer)numbers.get(“two”);
　　　　System.out.println(“two = ” + n);
　 　由于作为key的对象将通过计算其散列函数来确定与之对应的value的位置，因此任何作为key的对象都必须实现hashCode和equals方 法。hashCode和equals方法继承自根类Object，如果你用自定义的类当作key的话，要相当小心，按照散列函数的定义，如果两个对象相 同，即obj1.equals(obj2)=true，则它们的hashCode必须相同，但如果两个对象不同，则它们的hashCode不一定不同，如 果两个不同对象的hashCode相同，这种现象称为冲突，冲突会导致操作哈希表的时间开销增大，所以尽量定义好的hashCode()方法，能加快哈希 表的操作。
　　如果相同的对象有不同的hashCode，对哈希表的操作会出现意想不到的结果（期待的get方法返回null），要避免这种问题，只需要牢记一条：要同时复写equals方法和hashCode方法，而不要只写其中一个。
　　Hashtable是同步的。

HashMap类
　 　HashMap和Hashtable类似，不同之处在于HashMap是非同步的，并且允许null，即null value和null key。，但是将HashMap视为Collection时（values()方法可返回Collection），其迭代子操作时间开销和HashMap 的容量成比例。因此，如果迭代操作的性能相当重要的话，不要将HashMap的初始化容量设得过高，或者load factor过低。

WeakHashMap类
　　WeakHashMap是一种改进的HashMap，它对key实行“弱引用”，如果一个key不再被外部所引用，那么该key可以被GC回收。

总结

　　ArrayList和HashMap是异步的，Vector和HashTable是同步的，所以Vector和HashTable是线程安全的，而ArrayList和HashMap并不是线程安全的。因为同步需要花费机器时间，所以Vector和HashTable的执行效率要低于ArrayList和HashMap。
　　如果涉及到堆栈，队列等操作，应该考虑用List，对于需要快速插入，删除元素，应该使用LinkedList，如果需要快速随机访问元素，应该使用ArrayList。
　　如果程序在单线程环境中，或者访问仅仅在一个线程中进行，考虑非同步的类，其效率较高，如果多个线程可能同时操作一个类，应该使用同步的类。
　　要特别注意对哈希表的操作，作为key的对象要正确复写equals和hashCode方法。
　　尽量返回接口而非实际的类型，如返回List而非ArrayList，这样如果以后需要将ArrayList换成LinkedList时，客户端代码不用改变。这就是针对抽象编程。