java集合 - 技术栈

1.集合框架概述

Java 集合可分为 Collection 和 Map 两大体系：

Collection接口：用于存储一个一个的数据，也称单列数据集合。
- List子接口：用来存储有序的、可以重复的数据（主要用来替换数组，"动态"数组）
  - 实现类：ArrayList(主要实现类)、LinkedList、Vector
Set子接口：用来存储无序的、不可重复的数据（类似于高中讲的"集合"）
- 实现类：HashSet(主要实现类)、LinkedHashSet、TreeSet
Map接口：用于存储具有映射关系"key-value对"的集合，即一对一对的数据，也称双列数据集合。(类似于高中的函数、映射。(x1,y1),(x2,y2) ---> y = f(x) )
- HashMap(主要实现类)、LinkedHashMap、TreeMap、Hashtable、Properties
简图1：Collection接口继承树

简图2：Map接口继承树

2.Collection接口及方法

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）去实现。
Collection 接口是 List和Set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 集合。方法如下：
（1）add(E obj)：添加元素对象到当前集合中
（2）addAll(Collection other)：添加other集合中的所有元素对象到当前集合中，即this = this ∪ other
（3）int size()：获取当前集合中实际存储的元素个数
（4）boolean isEmpty()：判断当前集合是否为空集合
（5）boolean contains(Object obj)：判断当前集合中是否存在一个与obj对象equals返回true的元素
（6）boolean containsAll(Collection coll)：判断coll集合中的元素是否在当前集合中都存在。即coll集合是否是当前集合的"子集"
（7）boolean equals(Object obj)：判断当前集合与obj是否相等
（8）void clear()：清空集合元素
（9） boolean remove(Object obj) ：从当前集合中删除第一个找到的与obj对象equals返回true的元素。
（10）boolean removeAll(Collection coll)：从当前集合中删除所有与coll集合中相同的元素。即this = this - this ∩ coll
（11）boolean retainAll(Collection coll)：从当前集合中删除两个集合中不同的元素，使得当前集合仅保留与coll集合中的元素相同的元素，即当前集合中仅保留两个集合的交集，即this = this ∩ coll；
（12）Object[] toArray()：返回包含当前集合中所有元素的数组
（13）hashCode()：获取集合对象的哈希值
（14）iterator()：返回迭代器对象，用于集合遍历

3. Iterator(迭代器)接口

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接口的常用方法如下：

public E next():返回迭代的下一个元素。
public boolean hasNext():如果仍有元素可以迭代，则返回 true。

java 复制代码

 public void test01(){
        Collection coll = new ArrayList();
        coll.add("小李广");
        coll.add("扫地僧");
        coll.add("石破天");

        Iterator iterator = coll.iterator();
        System.out.println(iterator.next());
        System.out.println(iterator.next());
        System.out.println(iterator.next());
        System.out.println(iterator.next()); //报NoSuchElementException异常
}

4. Collection子接口1：List

4.1 List接口特点

鉴于Java中数组用来存储数据的局限性，我们通常使用java.util.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。
JDK API中List接口的实现类常用的有：ArrayList、LinkedList和Vector。

4.2 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。

插入元素
- 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
获取元素
- Object get(int index):获取指定index位置的元素
- List subList(int fromIndex, int toIndex):返回从fromIndex到toIndex位置的子集合
获取元素索引
- 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
删除和替换元素
- 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

4.3 List接口主要实现类：ArrayList

ArrayList 是 List 接口的主要实现类
本质上，ArrayList是对象引用的一个"变长"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

4.4 List的实现类之二：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。这是由底层采用链表（双向链表）结构存储数据决定的。
特有方法：
- void addFirst(Object obj)
- void addLast(Object obj)
- Object getFirst()
- Object getLast()
- Object removeFirst()
- Object removeLast()

4.5 List的实现类之三：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作为默认选择。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。
特有方法：
- void addElement(Object obj)
- void insertElementAt(Object obj,int index)
- void setElementAt(Object obj,int index)
- void removeElement(Object obj)
- void removeAllElements()

5. Collection子接口2：Set

5.1 Set接口概述

Set接口是Collection的子接口，Set接口相较于Collection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集合支持的遍历方式和Collection集合一样：foreach和Iterator。
Set的常用实现类有：HashSet、TreeSet、LinkedHashSet。

5.2 Set主要实现类：HashSet

5.2.1 HashSet概述

HashSet 是 Set 接口的主要实现类，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，因此具有很好的存储、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() 方法得到的哈希值相等，并且两个对象的 equals() 方法返回值为true。
对于存放在Set容器中的对象，对应的类一定要重写hashCode()和equals(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"。
HashSet集合中元素的无序性，不等同于随机性。这里的无序性与元素的添加位置有关。具体来说：我们在添加每一个元素到数组中时，具体的存储位置是由元素的hashCode()调用后返回的hash值决定的。导致在数组中每个元素不是依次紧密存放的，表现出一定的无序性。

5.2.2 HashSet中添加元素的过程：

第1步：当向 HashSet 集合中存入一个元素时，HashSet 会调用该对象的 hashCode() 方法得到该对象的 hashCode值，然后根据 hashCode值，通过某个散列函数决定该对象在 HashSet 底层数组中的存储位置。
第2步：如果要在数组中存储的位置上没有元素，则直接添加成功。
第3步：如果要在数组中存储的位置上有元素，则继续比较：
- 如果两个元素的hashCode值不相等，则添加成功；
- 如果两个元素的hashCode()值相等，则会继续调用equals()方法：
  - 如果equals()方法结果为false，则添加成功。
  - 如果equals()方法结果为true，则添加失败。
第2步添加成功，元素会保存在底层数组中。

第3步两种添加成功的操作，由于该底层数组的位置已经有元素了，则会通过链表的方式继续链接，存储。

5.2.3 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。

注意：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。

5.2.4 重写equals()方法的基本原则

重写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。
推荐：开发中直接调用Eclipse/IDEA里的快捷键自动重写equals()和hashCode()方法即可。
- 为什么用Eclipse/IDEA复写hashCode方法，有31这个数字？
  
  首先，选择系数的时候要选择尽量大的系数。因为如果计算出来的hash地址越大，所谓的"冲突"就越少，查找起来效率也会提高。（减少冲突）
  
  其次，31只占用5bits,相乘造成数据溢出的概率较小。
  
  再次，31可以由i*31== (i<<5)-1来表示,现在很多虚拟机里面都有做相关优化。（提高算法效率）
  
  最后，31是一个素数，素数作用就是如果我用一个数字来乘以这个素数，那么最终出来的结果只能被素数本身和被乘数还有1来整除！(减少冲突)

5.3 Set实现类之二：LinkedHashSet

LinkedHashSet 是 HashSet 的子类，不允许集合元素重复。
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添加顺序保存的。
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。

5.4 Set实现类之三：TreeSet

5.4.1 TreeSet概述

TreeSet 是 SortedSet 接口的实现类，TreeSet 可以按照添加的元素的指定的属性的大小顺序进行遍历。
TreeSet底层使用红黑树结构存储数据
新增的方法如下： (了解)
- 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特点：不允许重复、实现排序（自然排序或定制排序）
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。
- 自然排序：TreeSet 会调用集合元素的 compareTo(Object obj) 方法来比较元素之间的大小关系，然后将集合元素按升序(默认情况)排列。
  - 如果试图把一个对象添加到 TreeSet 时，则该对象的类必须实现 Comparable 接口。
  - 实现 Comparable 的类必须实现 compareTo(Object obj) 方法，两个对象即通过 compareTo(Object obj) 方法的返回值来比较大小。
- 定制排序：如果元素所属的类没有实现Comparable接口，或不希望按照升序(默认情况)的方式排列元素或希望按照其它属性大小进行排序，则考虑使用定制排序。定制排序，通过Comparator接口来实现。需要重写compare(T o1,T o2)方法。
  - 利用int compare(T o1,T o2)方法，比较o1和o2的大小：如果方法返回正整数，则表示o1大于o2；如果返回0，表示相等；返回负整数，表示o1小于o2。
  - 要实现定制排序，需要将实现Comparator接口的实例作为形参传递给TreeSet的构造器。
因为只有相同类的两个实例才会比较大小，所以向 TreeSet 中添加的应该是同一个类的对象。
对于 TreeSet 集合而言，它判断两个对象是否相等的唯一标准是：两个对象通过 compareTo(Object obj) 或compare(Object o1,Object o2)方法比较返回值。返回值为0，则认为两个对象相等。

6. Map接口

现实生活与开发中，我们常会看到这样的一类集合：用户ID与账户信息、学生姓名与考试成绩、IP地址与主机名等，这种一一对应的关系，就称作映射。Java提供了专门的集合框架用来存储这种映射关系的对象，即java.util.Map接口。

6.1 Map接口概述

Map与Collection并列存在。用于保存具有映射关系的数据：key-value
- Collection集合称为单列集合，元素是孤立存在的（理解为单身）。
- Map集合称为双列集合，元素是成对存在的(理解为夫妻)。
Map 中的 key 和 value 都可以是任何引用类型的数据。但常用String类作为Map的"键"。
Map接口的常用实现类：HashMap、LinkedHashMap、TreeMap和``Properties。其中，HashMap是 Map 接口使用频率最高`的实现类。

6.2 Map中key-value特点

这里主要以HashMap为例说明。HashMap中存储的key、value的特点如下：

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
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，不同key对应的value可以重复。value所在的类要重写equals()方法。
key和value构成一个entry。所有的entry彼此之间是无序的、不可重复的。

6.2 Map接口的常用方法

添加、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
删除操作：
- 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

6.3 Map的主要实现类：HashMap

HashMap是 Map 接口使用频率最高的实现类。
HashMap是线程不安全的。允许添加 null 键和 null 值。
存储数据采用的哈希表结构，底层使用一维数组+单向链表+红黑树进行key-value数据的存储。与HashSet一样，元素的存取顺序不能保证一致。
HashMap 判断两个key相等的标准是：两个 key 的hashCode值相等，通过 equals() 方法返回 true。
HashMap 判断两个value相等的标准是：两个 value 通过 equals() 方法返回 true。

6.4 Map实现类之二：LinkedHashMap

LinkedHashMap 是 HashMap 的子类
存储数据采用的哈希表结构+链表结构，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先后顺序，可以保证遍历元素时，与添加的顺序一致。
通过哈希表结构可以保证键的唯一、不重复，需要键所在类重写hashCode()方法、equals()方法。

6.5 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，构造器传入一个 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。

6.6 Map实现类之四：Hashtable

Hashtable是Map接口的古老实现类，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（数组+单向链表），查询速度快。
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。
与HashMap不同，Hashtable 不允许使用 null 作为 key 或 value。

6.7 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 中要求 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