JAVA集合框架总结

Posted 2020-10-16

Java集合框架实现了线性表、链表和哈希表这几类数据结构，为我们在程序开发带来了许多便捷。Java集合框架分为两部分：1.集合，用于存数一个元素集合；2.图，用来存储键值对。该文主要对JDK中Collection和Map两个接口中进行简述。

一、Collection接口

Java集合框架中主要支持三种类型的集合：1.Set（规则集） 2.List（线性表） 3.Queue（队列），其层级关系如图：

 

附：

Iterator接口

Iterator接口提供了为不同类型集合中的元素进行遍历的统一方法。通过Collection接口中的iterator方法可以返回一个Iterator接口的实例（迭代器）。该实例可以通过hasNext()方法检测迭代器中是否有更多的元素，next()方法顺序访问集合的元素等。

 

注：java集合框架中的所有具体类中都实现了Cloneable和Serializable接口，因此它们的实例都是可复制且可序列化的。

 

1、规则集Set

Set接口扩展于Collection接口,在一个实现Set的类中必须确保该规则集没有相同的元素。Set接口中有三个具体类：散列集HashSet、链式散列集LinkedHashSet和树形集TreeSet。

HashSet

HashSet扩展于Set接口，可以用来储存互不相同的元素。当程序向HashSet的实例中添加多个相同的元素时，只有一个元素会被存储，因为规则集中只能存储不同的元素。此外，HashSet实例中存储的元素没有特定的顺序，并不会按照插入顺序进行排序。

主要构造方法：

 

1 +HashSet()  //无参构造，创建一个HashSet实例  
2 +HashSet(Collection<? extends E> c)  //从集合c中创建HashSet实例  
3 +HashSet(int size) //创建容量为size的HashSet实例  

 

LinkedHashSet

LinkedHashSet用一个链表实现来扩展HashSet类，因此依旧无法添加重复的元素。在HashSet中，我们无法对其实例的元素进行排序，而当我们需要对元素插入的顺序进行排序时，LinkedHashSet是一个可用的选择。

主要构造方法：

1 +LinkedHashSet()  //创建一个无参实例  
2 +LinkedHashSet(Collection<? extends E> c) //从集合c中创建LinkedHashSet实例  
3 +LinkedHashset(int size) //创建一个容量为size的实例  

TreeSet

TreeSet是SortSet接口中的一个具体子类，其中SortSet为Set的子接口。在LinkedHashSet中，可以通过元素插入的顺序对元素排序，但是有时候需要自定义元素排序的顺序，在TreeSet中，只要对象可比较，即可添加进树形集中，并且可通过以下两种方式进行排序：

1.使用Comparable接口实现。当插入的对象为Comparable实例（如String,Date等）时，就可以通过接口中的compareTo对对象进行排序。此种排序方式为自然顺序。

2.使用比较器接口Comparator实现。有时我们可能需要自定义元素排序的顺序，或者说对象不是Comparable的实例，就可以通过比较器中的compare(object e1, object e2)方法来实现自定义的排序。此种排序方式为比较器顺序。

主要构造方法：

1 +TreeSet()  //创建一个无参实例  
2 +TreeSet( Collection<? extends E> c) //从集合c中创建LinkedHashSet实例  
3 +TreeSet(int size) //创建一个容量为size的实例  

以下为实现比较器顺序的一个案例（以学生信息为例，可通过学号排序，也可通过成绩排序）：

 

 1 import java.io.Serializable;  
 2 import java.util.Comparator;  
 3   
 4 public class StudentComparator implements Comparator<Student>, Serializable{ //Java所有集合中都实现了序列化，为了能成功排序，必须实现该接口  
 5   
 6     @Override  
 7     public int compare(Student o1, Student o2) {  
 8         if (o1.getGrade() > o2.getGrade())  
 9             return 1;  
10         else if (o1.getGrade() == o2.getGrade())  
11             return 0;  
12         else   
13             return -1;    
14     }  
15       
16 }  
17 [java] view plain copy
18  
19 <pre name="code" class="java">import java.util.Iterator;  
20 import java.util.TreeSet;  
21   
22 public class TestTreeSet {  
23     public static void main(String[] args) {  
24         TreeSet<Student> set = new TreeSet<>(new StudentComparator());  
25         set.add(new Student(1, 80));  
26         set.add(new Student(2, 50));  
27         set.add(new Student(3, 78));  
28   
29         Iterator<Student> iterator = set.iterator();  //使用迭代器遍历元素  
30         while (iterator.hasNext()) {  
31             Student student = (Student) iterator.next();  
32             System.out.println(student.getId() + " " + student.getGrade());  
33         }  
34     }  
35 }  
36   
37 /*以下为输出结果 
38 2 50 
39 3 78 
40 1 80*/  

 

 

2、线性表List

 

在程序开发中，往往我们需要向集合中添加相同的元素，线性表实现了添加重复元素的功能，此外，线性表也允许通过下标访问集合中指定位置的元素。线性表是一个有序允许重复的集合。

List接口中方法有：

 

1 +add(int index) //指定下标添加元素  
2 +addAll(int index, Collection<? extends E> c) //指定下标处添加c中所有元素  
3 +get(int index) //返回指定下标元素  
4 +lastIndexOf(Object o) //返回相同元素的下标  
5 +listIterator() //返回遍历列表的迭代器  
6 +listIterator(int startIndex) //返回从startIndex开始的所有元素的迭代器  
7 +remove(int index) //删除指定下标的元素  
8 +set(int index, E element) //设置指定下标的元素  
9 +subList(int fromIndex, int toIndex) //返回从fromIndex到toIndex元素子列表   

 

List接口中有两个具体实现类：数组线性表ArrayList和链表LinkedList。

 

ArrayList

ArrayList使用数组来存储元素，这个数组是动态创建的，当插入的元素超过数组的长度时，就会创建更大的数组，并把当前数组的元素复制到新的数组当中。因此相对于数组来说ArrayList更具有灵活性。

构造方法：

1 +ArrayList() //创建一个空列表  
2 +ArrayList(Collection<? extends E> c) //从集合c中创建实例  
3 +ArrayList(int size) //创建一个大小为size的空列表  

 

 此外，ArrayList中有trimToSize()方法可以将ArrayList的容量缩小到当前列表大小。

 

在Java2之前引入了向量类Vector，其使用方式与ArrayList类似，但Vector实现了现成同步，以避免多线程访问数据时引起数组损坏。

LinkedList

LinkedList是一个双向链表，除了实现List接口的方法还实现了添加和删除表头表尾元素的方法。

构造方法及其他方法：

1 +LinkedList() //创建一个空链表  
2 +LinkedList(int size) //创建一个容量为size的空链表  
3 +addFirst(E e) //添加表头元素  
4 +addLast(E e) //添加表尾元素  
5 +getFirst() //返回表头元素  
6 +getLast() //返回表尾元素  
7 +removeFirst() //移除表头元素  
8 +removeLast() //移除表尾元素  

 

3、队列Queue

Queue，队列，是一种先进先出的数据结构。新增的元素会插在队列的末尾。在优先队列中，优先级高的元素会首先出队。

Queue接口中主要有以下方法：

 

1 +offer(E e) //添加元素  
2 +poll() // 返回并删除队头元素，否则返回null  
3 +remove() //返回并删除队头元素，否则抛出异常  
4 +peek() // 返回队头元素，否则返回null  
5 +element() //返回队头元素，否则抛出异常 

Queue中有两个具体实现类：链表LinkedList和优先队列PriorityQueue。

 

LinkedList

在上述的List接口中也提到过LinkedList，它同时扩展自List接口和Deque接口。双向队列Deque接口扩展自Queue接口，支持在队列的两端在两端插入或删除数据。具体方法可参考上述内容。

 

PriorityQueue

此类实现了优先队列，在默认情况下，该队列的初始容量为11。其实例所存储的元素默认以自然顺序排列，因此自然顺序下最小的元素会优先出队。队列中可能出现对个优先级相同的元素，那么拥有相同优先级的元素会有其中任意一个优先出队。在讲述TreeSet时提到过使用Comparator接口来实现比较器顺序，在优先队列中依然可行。

构造方法：

 

1 +PriorityQueue() //创建一个默认的优先队列  
2 +PriorityQueue(int size) //创建一个容量为size的优先队列  
3 +PriorityQueue(Collection<? extends E> c) //从集合c中创建优先队列  
4 +PriorityQueue(int size, Comparator<? super E>) //创建一个容量为size且拥有比较器顺序的优先队列  

 

二、Map接口

Java集合框架中支持三种类型的图：散列图HashMap,链式散列图LinkedHashMap和树形图TreeMap。其层级关系与规则集Set类似。

Map----

         |

         |----SortMap----TreeMap

         |

         |----HashMap----LinkedHashMap

 

图是按照键值存储数据的容器，这一点与List有相似之处，键值类似于List中的下标，不同的是Map的键值可以是任意对象，同时键值不能重复。图中每个键值对应着一个值，键与值一起存储在图中。

Map接口中有如下方法：

 

 1 +clear(); //删除图中所有条目  
 2 +containsKey(Object key) //图中如果包含指定键值返回true  
 3 +containsValue(Object value) //图中如果包含指定值返回true  
 4 +get(Object key) //获得指定键值对应的值  
 5 +entrySet() //返回包含图中条目的规则集  
 6 +isEmpty() //判断是否空  
 7 +keySet() //返回图中包含键值的一个规则集  
 8 +put(Object key, Object value) //添加键值对  
 9 +putAll( ) //将指定实例中的键值对添加到当前实例中  
10 +remove(Object key) //删除指定键值对应的值  
11 +size() //键值对个数  
12 +values() //返回图中包含的集合  

 

HashMap

 

与HashSet相类似，HashMap实例存储的键值对是无序的，不会根据插入的顺序将键值对进行排序，并且存储顺序是随机的。

 

LinkedHashMap

该类扩展自HashMap，实现了插入的键值对的排序。其排序方式有两种，一种根据插入顺序排序（插入顺序），一种根据最后一次被访问的顺序排序（访问顺序）。

通过以下构造方法说明：

   

1 +LinkedHashMap(int size, float loadFactor, boolean Order) 

//创建一个容量为size的图，客座率为loadFactor（即存储的键值对超过该值，会自动增加图的容量，一般为0.75f），true代表访问顺序，false代表插入顺序

 

TreeMap

 

与TreeSet类似，可通过两种方式来实现对图中的键值进行排序。

 

上述三种具体类都可以通过构造方法从其他图中进行创建。

 

 1 import java.util.HashMap;  
 2 import java.util.LinkedHashMap;  
 3 import java.util.Map;  
 4 import java.util.TreeMap;  
 5   
 6 public class TestMap {  
 7     public static void main(String[] args) {  
 8         Map<String, Integer> hashmap = new HashMap<>();  
 9         hashmap.put("s1", 10);  
10         hashmap.put("s2", 6);  
11         hashmap.put("s3", 7);  
12         System.out.println("HashMap:");  
13         System.out.println(hashmap);  
14           
15         Map<String, Integer> linkedHashMap = new LinkedHashMap<>(3, 0.75f, true);  
16         linkedHashMap.put("s1", 10);  
17         linkedHashMap.put("s2", 6);  
18         linkedHashMap.put("s3", 7);  
19         System.out.println("LinkedHashMap:");  
20         System.out.println(linkedHashMap);  
21           
22         Map<String, Integer> treeMap = new TreeMap<>();  
23         treeMap.put("s1", 10);  
24         treeMap.put("s2", 6);  
25         treeMap.put("s3", 7);  
26         System.out.println("TreeMap:");  
27         System.out.println(treeMap);  
28     }  
29       
30 }  
31 /*输出结果 
32 HashMap: 
33 {s3=7, s1=10, s2=6} 
34 LinkedHashMap: 
35 {s1=10, s2=6, s3=7} 
36 TreeMap: 
37 {s1=10, s2=6, s3=7}*/  
38  

 

 

总结

HashSet与HashMap都不能存储相同的元素。其判断是否存在相同元素通过hashcode()和equals()两个方法来实现，当插入一个新元素或键值时，会先判断集合或图中是否存在hashcode()值相同的元素，伪代码如下：

 

1 if (两个元素hashcode值相等) {  
2     if (两个元素相等)   
3         return true; //不添加  
4     else   
5         return false; //添加  
6 }  

 

由此可知，hashcode相等的两个元素未必相同，但两个相同的元素hashcode必定相同。

 

在Set接口的实例中如果不需要维护元素插入的顺序，则使用HashSet，因为HashSet更高效率。Map接口中的HashMap也是如此。

在List接口中，ArrayList在尾部提取和插入元素比较高效，LinkedList在任意位置删除和插入元素较高效。

如果在应用程序中不需要添加重复的元素，那么规则集会是最高效的集合。