Java进阶 - 数据结构ListSetCollections工具类

Posted 2020-11-27 caixiaowu

1.常用的几种结构

数据存储的常用结构有：栈、队列、数组、链表和红黑树

（1）栈

• 
  栈：stack,又称堆栈，它是运算受限的线性表，其限制是仅允许在标的一端进行插入和删除操作，不允许在其他任何位置进行添加、查找、删除等操作。

简单的说：采用该结构的集合，对元素的存取有如下的特点

• 先进后出（即，存进去的元素，要在后它后面的元素依次取出后，才能取出该元素）。例如，子弹压进弹夹，先压进去的子弹在下面，后压进去的子弹在上面，当开枪时，先弹出上面的子弹，然后才能弹出下面的子弹。

• 栈的入口、出口的都是栈的顶端位置。

   

这里两个名词需要注意：

• 压栈：就是存元素。即，把元素存储到栈的顶端位置，栈中已有元素依次向栈底方向移动一个位置。

• 弹栈：就是取元素。即，把栈的顶端位置元素取出，栈中已有元素依次向栈顶方向移动一个位置。

 

 

（2）队列

• 队列：queue,简称队，它同堆栈一样，也是一种运算受限的线性表，其限制是仅允许在表的一端进行插入，而在表的另一端进行删除。

简单的说，采用该结构的集合，对元素的存取有如下的特点：

• 先进先出（即，存进去的元素，要在后它前面的元素依次取出后，才能取出该元素）。例如，小火车过山洞，车头先进去，车尾后进去；车头先出来，车尾后出来。

• 队列的入口、出口各占一侧。例如，下图中的左侧为入口，右侧为出口。

 

 

（3）数组

• 数组:Array,是有序的元素序列，数组是在内存中开辟一段连续的空间，并在此空间存放元素。就像是一排出租屋，有100个房间，从001到100每个房间都有固定编号，通过编号就可以快速找到租房子的人。

简单的说,采用该结构的集合，对元素的存取有如下的特点：

• 查找元素快：通过索引，可以快速访问指定位置的元素

  

   

   

• 增删元素慢

  • 指定索引位置增加元素：需要创建一个新数组，将指定新元素存储在指定索引位置，再把原数组元素根据索引，复制到新数组对应索引的位置。如下图

  • 指定索引位置删除元素：需要创建一个新数组，把原数组元素根据索引，复制到新数组对应索引的位置，原数组中指定索引位置元素不复制到新数组中。如下图

 

 （4）链表

• 链表:linked list,由一系列结点node（链表中每一个元素称为结点）组成，结点可以在运行时i动态生成。每个结点包括两个部分：一个是存储数据元素的数据域，另一个是存储下一个结点地址的指针域。我们常说的链表结构有单向链表与双向链表，那么这里给大家介绍的是单向链表。

   

简单的说，采用该结构的集合，对元素的存取有如下的特点：

• 多个节点之间，通过地址进行连接。例如，多个人手拉手，每个人使用自己的右手拉住下个人的左手，依次类推，这样多个人就连在一起了。

• 查找元素慢：想查找某个元素，需要通过连接的节点，依次向后查找指定元素

• 增删元素快：

  • 增加元素：只需要修改连接下个元素的地址即可。

  • 删除元素：只需要修改连接下个元素的地址即可。

 

 

 

 （5）红黑树

• 二叉树：binary tree ,是每个结点不超过2的有序树（tree） 。

简单的理解，就是一种类似于我们生活中树的结构，只不过每个结点上都最多只能有两个子结点。

二叉树是每个节点最多有两个子树的树结构。顶上的叫根结点，两边被称作“左子树”和“右子树”。

如图：

 

我们要说的是二叉树的一种比较有意思的叫做红黑树，红黑树本身就是一颗二叉查找树，将节点插入后，该树仍然是一颗二叉查找树。也就意味着，树的键值仍然是有序的。

红黑树的约束:

1. 节点可以是红色的或者黑色的

2. 根节点是黑色的

3. 叶子节点(特指空节点)是黑色的

4. 每个红色节点的子节点都是黑色的

5. 任何一个节点到其每一个叶子节点的所有路径上黑色节点数相同

红黑树的特点:

速度特别快,趋近平衡树,查找叶子元素最少和最多次数不多于二倍

 

2.List集合

java.util.List接口继承自Collection接口，是单列集合的一个重要分支，习惯性地会将实现了List接口的对象称为List集合。在List集合中允许出现重复的元素，所有的元素是以一种线性方式进行存储的，在程序中可以通过索引来访问集合中的指定元素。另外，List集合还有一个特点就是元素有序，即元素的存入顺序和取出顺序一致。

看完API，我们总结一下：

List接口特点：

1. 它是一个元素存取有序的集合。例如，存元素的顺序是11、22、33。那么集合中，元素的存储就是按照11、22、33的顺序完成的）。

2. 它是一个带有索引的集合，通过索引就可以精确的操作集合中的元素（与数组的索引是一个道理）。

3. 集合中可以有重复的元素，通过元素的equals方法，来比较是否为重复的元素。

特有方法：（操作索引的时候，一定要防止索引越界异常）

• public void add(int index, E element): 将指定的元素，添加到该集合中的指定位置上。

• public E get(int index):返回集合中指定位置的元素。

• public E remove(int index): 移除列表中指定位置的元素, 返回的是被移除的元素。

• public E set(int index, E element):用指定元素替换集合中指定位置的元素,返回值的更新前的元素。

 public static void main(String[] args) {
        // 创建List集合对象
        List<String> list = new ArrayList<String>();
        
        // 往 尾部添加 指定元素
        list.add("图图");
        list.add("小美");
        list.add("不高兴");
        
        System.out.println(list);
        // add(int index,String s) 往指定位置添加
        list.add(1,"没头脑");
        
        System.out.println(list);
        // String remove(int index) 删除指定位置元素  返回被删除元素
        // 删除索引位置为2的元素 
        System.out.println("删除索引位置为2的元素");
        System.out.println(list.remove(2));
        
        System.out.println(list);
        
        // String set(int index,String s)
        // 在指定位置 进行 元素替代（改） 
        // 修改指定位置元素
        list.set(0, "三毛");
        System.out.println(list);
        
        // String get(int index)  获取指定位置元素
        
        // 跟size() 方法一起用  来 遍历的 
        for(int i = 0;i<list.size();i++){
            System.out.println(list.get(i));
        }
        //还可以使用增强for
        for (String string : list) {
            System.out.println(string);
        }      
    }
}

方法使用

 

3.LinkedList集合 不能使用多态

java.util.LinkedList集合数据存储的结构是链表结构。方便元素添加、删除的集合

实际开发中对一个集合元素的添加与删除经常涉及到首尾操作，而LinkedList提供了大量首尾操作的方法。这些方法我们作为了解即可：

• public void addFirst(E e):将指定元素插入此列表的开头。

• public void addLast(E e):将指定元素添加到此列表的结尾。

• public E getFirst():返回此列表的第一个元素。

• public E getLast():返回此列表的最后一个元素。

• public E removeFirst():移除并返回此列表的第一个元素。

• public E removeLast():移除并返回此列表的最后一个元素。

• public E pop():从此列表所表示的堆栈处弹出一个元素。

• public void push(E e):将元素推入此列表所表示的堆栈。

• public boolean isEmpty()：如果列表不包含元素，则返回true。

 

 

LinkedList是List的子类，List中的方法LinkedList都是可以使用，这里就不做详细介绍，我们只需要了解LinkedList的特有方法即可。在开发时，LinkedList集合也可以作为堆栈，队列的结构使用。（了解即可）

4.Set集合 set集合使用add时会使用hashCode和equals方法先，所以不会存储重复的元素

java.util.Set接口和java.util.List接口一样，同样继承自Collection接口，它与Collection接口中的方法基本一致，并没有对Collection接口进行功能上的扩充，只是比Collection接口更加严格了。与List接口不同的是，Set接口中元素无序，并且都会以某种规则保证存入的元素不出现重复。

Set集合有多个子类，这里我们介绍其中的java.util.HashSet、java.util.LinkedHashSet这两个集合。

HashSet集合

java.util.HashSet是Set接口的一个实现类，它所存储的元素是不可重复的，并且元素都是无序的(即存取顺序不一致)。java.util.HashSet底层的实现其实是一个java.util.HashMap支持，由于我们暂时还未学习，先做了解。

HashSet是根据对象的哈希值来确定元素在集合中的存储位置，因此具有良好的存取和查找性能。保证元素唯一性的方式依赖于：hashCode与equals方法。

public class HashSetDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //创建 Set集合
        HashSet<String>  set = new HashSet<String>();

        //添加元素
        set.add(new String("cba"));
        set.add("abc");
        set.add("bac"); 
        set.add("cba");  
        //遍历
        for (String name : set) {
            System.out.println(name);
        }
    }
}

 

HashSet集合存储数据的结构（哈希表）

哈希值：是一个十进制的整数，由系统随机给出（就是对象的地址值，是一个逻辑地址，是模拟出来的地址，不是数据实际存储的物理地址）

　　在Object类中有一个方法，可以获取对象的哈希值  hasCode 由操作系统随机生成  String类重写了hashCode 方法 其中 重地 和 通话 两个词语的值相同

什么是哈希表呢？

在JDK1.8之前，哈希表底层采用数组+链表实现，即使用链表处理冲突，同一hash值的链表都存储在一个链表里。但是当位于一个桶中的元素较多，即hash值相等的元素较多时，通过key值依次查找的效率较低。而JDK1.8中，哈希表存储采用数组+链表+红黑树实现，当链表长度超过阈值（8）时，将链表转换为红黑树，这样大大减少了查找时间。

简单的来说，哈希表是由数组+链表+红黑树（JDK1.8增加了红黑树部分）实现的，如下图所示。

看到这张图就有人要问了，这个是怎么存储的呢？

为了方便大家的理解我们结合一个存储流程图来说明一下

 

HashSet存储自定义类型元素

给HashSet中存放自定义类型元素时，需要重写对象中的hashCode和equals方法，建立自己的比较方式，才能保证HashSet集合中的对象唯一

public class Student {
    private String name;
    private int age;

    public Student() {
    }

    public Student(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

    @Override
    public boolean equals(Object o) {
        if (this == o)
            return true;
        if (o == null || getClass() != o.getClass())
            return false;
        Student student = (Student) o;
        return age == student.age &&
               Objects.equals(name, student.name);
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        return Objects.hash(name, age);
    }
}

View Code

 

 

 5.LinkedHashSet

我们知道HashSet保证元素唯一，可是元素存放进去是没有顺序的，那么我们要保证有序，怎么办呢？

在HashSet下面有一个子类java.util.LinkedHashSet，它是链表和哈希表组合的一个数据存储结构。

 

6.可变参数

在JDK1.5之后，如果我们定义一个方法需要接受多个参数，并且多个参数类型一致，我们可以对其简化成如下格式：

修饰符 返回值类型 方法名(参数类型... 形参名){  }

其实这个书写完全等价与

修饰符 返回值类型 方法名(参数类型[] 形参名){  }

只是后面这种定义，在调用时必须传递数组，而前者可以直接传递数据即可。

JDK1.5以后。出现了简化操作。... 用在参数上，称之为可变参数。

同样是代表数组，但是在调用这个带有可变参数的方法时，不用创建数组(这就是简单之处)，直接将数组中的元素作为实际参数进行传递，其实编译成的class文件，将这些元素先封装到一个数组中，在进行传递。这些动作都在编译.class文件时，自动完成了。

public class ChangeArgs {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = { 1, 4, 62, 431, 2 };
        int sum = getSum(arr);
        System.out.println(sum);
        //  6  7  2 12 2121
        // 求 这几个元素和 6  7  2 12 2121
        int sum2 = getSum(6, 7, 2, 12, 2121);
        System.out.println(sum2);
    }

    /*
     * 完成数组  所有元素的求和 原始写法
     
      public static int getSum(int[] arr){
        int sum = 0;
        for(int a : arr){
            sum += a;
        }
        
        return sum;
      }
    */
    //可变参数写法
    public static int getSum(int... arr) {
        int sum = 0;
        for (int a : arr) {
            sum += a;
        }
        return sum;
    }
}

 注意：如果在方法书写时，这个方法拥有多参数，参数中包含可变参数，可变参数一定要写在参数列表的末尾位置

终极写法 （Object...obj）接收一切数量，一切类型的参数

7.Collections工具类

• public static <T> boolean addAll(Collection<T> c, T... elements):往集合中添加一些元素。

• public static void shuffle(List<?> list) 打乱顺序:打乱集合顺序。

• public static <T> void sort(List<T> list):将集合中元素按照默认规则排序。

• public static <T> void sort(List<T> list，Comparator<? super T> ):将集合中元素按照指定规则排序。

基本使用：

public class DemoCollections {
    public static void main(String[] args) {
        LinkedList<Integer> list = new LinkedList<>();
        list.add(2);
        list.add(4);
        list.add(6);
        Collections.addAll(list,8,12,24); //加入多个元素
        System.out.println(list);
        Collections.shuffle(list); //打乱集合中的顺序
        System.out.println(list);
        Collections.sort(list); //排序，默认按升序
        System.out.println(list);
    }
}

 

排序自定义类：  注意：sort方法的前提： 被排序的集合里边的存储元素，必须实现Comparable，重写接口中的CompareTo定义排序的规则

Comparable接口的排序规则：

　　自己（this） -  参数：升序  反之 则降序

package basicpart.day01.DataStructure;

public class Person implements Comparable<Person>{
    private String name ;
    private int age;

    public Person() {
    }

    public Person(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Person{" +
                "name=‘" + name + ‘‘‘ +
                ", age=" + age +
                ‘}‘;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }
    //重写排序的规则
    @Override
    public int compareTo(Person o) {
        //自定义比较的规则，比较两个人的年龄
        return this.getAge() - o.getAge();//年龄升序排序
    }
}

Person类按年龄排序

 

Comparator

Comparable：强行对实现它的每个类的对象进行整体排序。这种排序被称为类的自然排序，类的compareTo方法被称为它的自然比较方法。只能在类中实现compareTo()一次，不能经常修改类的代码实现自己想要的排序。实现此接口的对象列表（和数组）可以通过Collections.sort（和Arrays.sort）进行自动排序，对象可以用作有序映射中的键或有序集合中的元素，无需指定比较器。

Comparator强行对某个对象进行整体排序。可以将Comparator 传递给sort方法（如Collections.sort或 Arrays.sort），从而允许在排序顺序上实现精确控制。还可以使用Comparator来控制某些数据结构（如有序set或有序映射）的顺序，或者为那些没有自然顺序的对象collection提供排序。

基本使用： 在sort中定义匿名内部类Comparator，重写compare方法

ArrayList<Integer> in = new ArrayList<>();
        Collections.addAll(in,24,54,23,66);
        Collections.sort(in, new Comparator<Integer>() {
            @Override
            public int compare(Integer o1, Integer o2) {
                return o1 - o2; //升序
//                return o2 - o1; //降序
            }
        });
        System.out.println(in);
        //自定义类按照年龄降序排序
        Collections.sort(list, new Comparator<Person>() {
            @Override
            public int compare(Person o1, Person o2) {
                return o2.getAge() - o1.getAge();
            }
        });
        System.out.println(list);

 多重规则：

//自定义类按照年龄升序排序
        Collections.sort(list, new Comparator<Person>() {
            @Override
            public int compare(Person o1, Person o2) {
                int result = o1.getAge() - o2.getAge();
                //如果两个人年龄相同，按照名字首字母排序
                if (result == 0){
                   result = o1.getName().charAt(0) - o2.getName().charAt(0);
                }
                return result;
            }

        });
        System.out.println(list);