Java集合框架总结

Posted 2020-09-09

　　Java中我们用集合来存储和操作数目不固定的一组数据，集合中存放的都是对象的引用，而非对象本身，这也是集合中不能存储基本类型数据的原因。集合类大都在java.util包中，java集合架构主要有两个接口Collection和Map供子类实现，java集合架构支持3种类型的集合：规则集（Set），线性表（List），和图（Map），分别定义在Set，List，Map中。Set实例存储一组互不相同的元素（集合），List实例存储一组顺序排列的元素（表），Map存储一组 对象---关键值的映射。

　　学习java集合框架的内容，个人认为要做到熟悉以下内容：

一、熟悉常用java集合框架的层次结构

二、常用集合类的特性及底层的结构

　　ArrayList底层是一个数组，数组中元素类型相同，每个元素占用的空间大小是相同的，并且整个数组的储存空间是连续的，因此只要知道首元素地址，再加上下标，通过数学表达式可以迅速定位到数组中任意一个元素，查找效率高，缺点是为了保证连续，每次增删操作涉及到其后元素的位移，在实际使用中利用下标查询的机会较少，为了提高数组查询效率，会使用折半查找（二分法），前提是数组内元素按大小排好序。

　　LinkedList底层是双向链表，除了首元素和尾元素外，其余每个元素都有索引指向其前一个元素和后一个元素，因此增删效率比较高，查询时必须从首元素开始一个一个节点向下找，所以查询效率低。

       LinkedList间接实现了Queue（队列）接口，因此可以利用其模拟队列结构，代码如下：

同时也可以利用LinkedList模拟出栈数据结构，代码如下：

　　HashMap以<K,V>的形式存储键值对，底层是哈希表，哈希表既不是一个纯属组，也不是纯链表，而是一个链表和数组的结合体，可以把哈希表看作是一个每个节点都是一个数组的单向链表，存储在HashMap中的需要同时重写hashcode（）和equals（）方法。HashMap中的key部分便是一个HashSet，HashMap具有查询和增删效率都很高的特点

　　LikedHashMap：按照添加顺序存储，可以按添加顺序取出，通过我们利用其在前台生成顺序固定的下拉列表，其key部分就是LikedHashSet。

　　TreeHashMap：存放在其中的元素可以按照一定的规则进行排序，因此存放其中的元素必须实现Comparable接口，或者单独编一个比较器实现Comparator接口，通常如果需要放入TreeHashMap元素的类型较多且比较规则相同时，推荐后者，实现代码复用。TreeHashMap底层是可排序二叉树，它遵循左小又大的原则，其底层对其进行遍历时采用中序遍历，因此迭代出来的元素总动从下到大排列，其key值部分就是一个TreeSet。

三、使用Collection接口和Map接口定义的公用方法对集合进行操作

1.Collection 接口

用于表示任何对象或元素组。想要尽可能以常规方式处理一组元素时，就使用这一接口。

(1) 单元素添加、删除操作：

boolean add(Object o):将对象添加给集合

boolean remove(Object o): 如果集合中有与o相匹配的对象，则删除对象o  

(2) 查询操作：  

int size() ：返回当前集合中元素的数量

 boolean isEmpty() ：判断集合中是否有任何元素

boolean contains(Object o) ：查找集合中是否含有对象o

Iterator iterator() ：返回一个迭代器，用来访问集合中的各个元素

(3) 组操作 ：作用于元素组或整个集合

boolean containsAll(Collection c): 查找集合中是否含有集合c 中所有元素

boolean addAll(Collection c) : 将集合c 中所有元素添加给该集合

void clear(): 删除集合中所有元素

void removeAll(Collection c) : 从集合中删除集合c 中的所有元素

void retainAll(Collection c) : 从集合中删除集合c 中不包含的元素

(4) Collection转换为Object数组 ：

Object[] toArray() ：返回一个内含集合所有元素的array

Object[] toArray(Object[] a) ：返回一个内含集合所有元素的array。运行期返回的array和参数a的型别相同，需要转换为正确型别。

此外，您还可以把集合转换成其它任何其它的对象数组。但是，您不能直接把集合转换成基本数据类型的数组，因为集合必须持有对象。

2.Iterator 接口 
 Collection 接口的iterator()方法返回一个 Iterator。Iterator接口方法能以迭代方式逐个访问集合中各个元素，并安全的从Collection 中除去适当的元素。 
(1) boolean hasNext(): 判断是否存在另一个可访问的元素 。
(2) void remove(): 删除上次访问返回的对象。本方法必须紧跟在一个元素的访问后执行。Iterraor.remove是在遍历集合中过程中删除元素的唯一安全的方法。

3.List接口

List 接口继承了 Collection 接口以定义一个允许重复项的有序集合。该接口不但能够对列表的一部分进行处理，还添加了面向位置的操作。

面向位置的操作包括插入某个元素或 Collection 的功能，还包括获取、除去或更改元素的功能。在 List 中搜索元素可以从列表的头部或尾部开始，如果找到元素，还将报告元素所在的位置 :

void add(int index, Object element): 在指定位置index上添加元素element

boolean addAll(int index, Collection c): 将集合c的所有元素添加到指定位置index

Object get(int index): 返回List中指定位置的元素

int indexOf(Object o): 返回第一个出现元素o的位置，否则返回-1

int lastIndexOf(Object o) ：返回最后一个出现元素o的位置，否则返回-1

Object remove(int index) ：删除指定位置上的元素

Object set(int index, Object element) ：用元素element取代位置index上的元素，并且返回旧的元素

4.ListIterator接口

ListIterator 接口继承 Iterator 接口以支持添加或更改底层集合中的元素，还支持双向访问。ListIterator没有当前位置，光标位于调用previous和next方法返回的值之间。一个长度为n的列表，有n+1个有效索引值：

(1) void add(Object o): 将对象o添加到当前位置的前面

void set(Object o): 用对象o替代next或previous方法访问的上一个元素。如果上次调用后列表结构被修改了，那么将抛出IllegalStateException异常。  

(2) boolean hasPrevious(): 判断向后迭代时是否有元素可访问 Object previous()：返回上一个对象

 int nextIndex(): 返回下次调用next方法时将返回的元素的索引

 int previousIndex(): 返回下次调用previous方法时将返回的元素的索引

 正常情况下，不用ListIterator改变某次遍历集合元素的方向 — 向前或者向后。虽然在技术上可以实现，但previous() 后立刻调用next()，返回的是同一个元素。把调用 next()和previous()的顺序颠倒一下，结果相同。

5. Map接口

Map接口不是Collection接口的继承。Map接口用于维护键/值对(key/value pairs)。该接口描述了从不重复的键到值的映射。

(1) 添加、删除操作：

Object put(Object key, Object value): 将互相关联的一个关键字与一个值放入该映像。如果该关键字已经存在，那么与此关键字相关的新值将取代旧值。方法返回关键字的旧值，如果关键字原先并不存在，则返回null

Object remove(Object key): 从映像中删除与key相关的映射

void putAll(Map t): 将来自特定映像的所有元素添加给该映像

void clear(): 从映像中删除所有映射 “键和值都可以为null。但是，您不能把Map作为一个键或值添加给自身。”

(2) 查询操作：  

Object get(Object key): 获得与关键字key相关的值，并且返回与关键字key相关的对象，如果没有在该映像中找到该关键字，则返回null  

boolean containsKey(Object key): 判断映像中是否存在关键字key  

boolean containsValue(Object value): 判断映像中是否存在值value

int size(): 返回当前映像中映射的数量

boolean isEmpty() ：判断映像中是否有任何映射

(3) 视图操作 ：处理映像中键/值对组

Set keySet(): 返回映像中所有关键字的视图集

因为映射中键的集合必须是唯一的，您用Set支持。你还可以从视图中删除元素，同时，关键字和它相关的值将从源映像中被删除，但是你不能添加任何元素。

Collection values():返回映像中所有值的视图集

因为映射中值的集合不是唯一的，您用Collection支持。你还可以从视图中删除元素，同时，值和它的关键字将从源映像中被删除，但是你不能添加任何元素。

Set entrySet(): 返回Map.Entry对象的视图集，即映像中的关键字/值对

 因为映射是唯一的，您用Set支持。你还可以从视图中删除元素，同时，这些元素将从源映像中被删除，但是你不能添加任何元素。

6Map.Entry接口

Map的entrySet()方法返回一个实现Map.Entry接口的对象集合。集合中每个对象都是底层Map中一个特定的键/值对。 通过这个集合的迭代器，您可以获得每一个条目(唯一获取方式)的键或值并对值进行更改。当条目通过迭代器返回后，除非是迭代器自身的remove()方 法或者迭代器返回的条目的setValue()方法，其余对源Map外部的修改都会导致此条目集变得无效，同时产生条目行为未定义。  

(1) Object getKey(): 返回条目的关键字  

(2) Object getValue(): 返回条目的值  

(3) Object setValue(Object value): 将相关映像中的值改为value，并且返回旧值

四、Iterator接口遍历集合和使用JDK的增强for循环进行集合遍历

1.ArrayList

2.HashMap

 

五、会使用Collections类的静态方法

Collections工具类提供了大量针对Collection/Map的操作，总体可分为四类：

1. 排序操作（主要针对List接口相关）

    reverse(List list)：反转指定List集合中元素的顺序

    shuffle(List list)：对List中的元素进行随机排序（洗牌）

    sort(List list)：对List里的元素根据自然升序排序

    sort(List list, Comparator c)：自定义比较器进行排序

    swap(List list, int i, int j)：将指定List集合中i处元素和j出元素进行交换

    rotate(List list, int distance)：将所有元素向右移位指定长度，如果distance等于size那么结果不变

2. 查找和替换（主要针对Collection接口相关）

 

    binarySearch(List list, Object key)：使用二分搜索法，以获得指定对象在List中的索引，前提是集合已经排序

    max(Collection coll)：返回最大元素

    max(Collection coll, Comparator comp)：根据自定义比较器，返回最大元素

    min(Collection coll)：返回最小元素

    min(Collection coll, Comparator comp)：根据自定义比较器，返回最小元素

    fill(List list, Object obj)：使用指定对象填充

    frequency(Collection Object o)：返回指定集合中指定对象出现的次数

    replaceAll(List list, Object old, Object new)：替换

 3. 同步控制

Collections工具类中提供了多个synchronizedXxx方法，该方法返回指定集合对象对应的同步对象，从而解决多线程并发访问集合时线程的安全问题。HashSet、ArrayList、HashMap都是线程不安全的，如果需要考虑同步，则使用这些方法。这些方法主要有：synchronizedSet、synchronizedSortedSet、synchronizedList、synchronizedMap、synchronizedSortedMap。

 

特别需要指出的是，在使用迭代方法遍历集合时需要手工同步返回的集合。

4. 设置不可变集

Collections有三类方法可返回一个不可变集合

    emptyXxx()：返回一个空的不可变的集合对象

    singletonXxx()：返回一个只包含指定对象的，不可变的集合对象。

    unmodifiableXxx()：返回指定集合对象的不可变视图

六、关于集合类的一些其它补充

1.多线程环境下集合的使用：

我们知道， HashMap 是非线程安全的，当我们只有一个线程在使用HashMap 的时候，自然不会有问题，但如果涉及到多个线程，并且有读有写的过程中， HashMap就不能满足我们的需要了(fail-fast)。在不考虑性能问题的时候，我们的解决方案有Hashtable 或者Collections提供的同步方法，这两种方式基本都是对整个 hash 表结构做锁定操作的，这样在锁表的期间，别的线程就需要等待了，无疑性能不高。

此时我们可以考虑使用ConcurrentHashMap，用来替代同步Map，它们在本质上使用了更粗粒度的锁，在迭代过程中仅仅锁定容器的一部分，因而大大提高了多线程环境下程序的执行效率。

CopyOnWriteArrayList：list的实现每一次更新都会产生一个新的隐含数组副本，所以这个操作成本很高。通常用在遍历操作比更新操作多的集合，比如listeners/observers集合。

2.如何正确的边遍历边移除Collection中的元素

边遍历边移除Collection中的元素的唯一正确方式是用iterator.remove()方法

3.如何删除ArrayList中重复的元素

如果不关心元素在ArrayList中的顺序，可以将list放入set中来删除重复元素后再放回，如果关心顺序则可以用linkedHashSet。

4.有序的Collection

Collection的sort方法可以对list排序，

PriotrityQueue动态的维护一个有序的队列（每次增删都重新排序）

如果Collection中没有重复元素，则treeSet也是一个选择