0X JavaSE-- 集合框架【Collection（List、Set、Queue）、Map】

SunsPlanter2024-06-02 21:29
  • 每一个集合类底层采用的数据结构不同，例如ArrayList集合底层采用了数组，LinkedList集合底层采用了双向链表，HashMap集合底层采用了哈希表，TreeMap集合底层采用了红黑树。
  • **集合中存储的是引用。**即。集合中存放的是对象的地址，而不是把堆中的实例对象存储。
  • 默认情况下，如果不使用泛型的话，集合中可以存储任何类型的引用，只要是 Object 的子类都可以存储。
  • Java集合框架相关的类都在 java.util 包下。
  • Java 集合框架有两大支线：
    • Collection，可进一步细分为
      • List：可重复的集合。具体实现有： ArrayList（动态数组） 和LinkedList（双向链表）；
      • Set：不可重复的集合，典型代表就是 HashSet（哈希表） 和 TreeSet（红黑树）；
      • Queue：队列。具体实现有：双端队列 ArrayDeque，以及优先级队列 PriorityQueue。
    • Map：键值对的集合。具体实现有： HashMap、LinkedHashMap（双向链表 + 哈希表）
  • 这些具体实现中，只有 TreeSet、LinkedHashMap 是有序的（键有序）

Collection

1、List

List 的特点是存取有序，可以存放重复的元素，可以用下标对元素进行操作。

1.1 ArrayList

  • ArrayList 是由数组实现的，支持随机存取，也就是可以通过下标直接存取元素；
  • 从尾部插入和删除元素会比较快捷，从中间插入和删除元素会比较低效，这是由数组的特点决定的；
  • 如果内部数组的容量不足时会自动扩容，因此当元素非常庞大的时候，效率会比较低。

1.2 LinkedList

  • LinkedList 是由双向链表实现的，不支持随机存取，只能从一端开始遍历，直到找到需要的元素后返回；
  • 任意位置插入和删除元素都很方便，因为只需要改变前一个节点和后一个节点的引用即可，不像 ArrayList 那样需要复制和移动数组元素，这是由链表的特点决定的；
  • 因为每个元素都存储了前一个和后一个节点的引用，所以相对来说，占用的内存空间会比 ArrayList 多一些。
java 复制代码 
// CRUD 实例
// 创建一个集合
LinkedList<String> list = new LinkedList<String>();
// 添加元素
list.add("apple");
list.add("avocado");

// 遍历集合 for 循环
for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
    String s = list.get(i);
    System.out.println(s);
}
// 遍历集合 for each
for (String s : list) {
    System.out.println(s);
}

// 删除元素
list.remove(1);
// 遍历集合
for (String s : list) {
    System.out.println(s);
}

// 修改元素
list.set(1, "apricot");

1.3 ArrayList 和 LinkedList

1.4 Vector 和 Stack

List 的实现类还有一个 Vector，是一个元老级的类，比 ArrayList 出现得更早。

ArrayList 和 Vector 非常相似，只不过 Vector 是线程安全的，像 get、set、add 这些方法都加了 synchronized 关键字，就导致执行效率会比较低，所以现在已经很少用了。
这种加了同步方法的类，注定会被淘汰掉，就像StringBuilder 取代 StringBuffer那样。

Stack 是 Vector 的一个子类，本质上也是由动态数组实现的，只不过还实现了先进后出的功能（在 get、set、add 方法的基础上追加了 pop「返回并移除栈顶的元素」、peek「只返回栈顶元素」等方法），所以叫栈。

由于 Stack 执行效率比较低（方法上同样加了 synchronized 关键字），就被双端队列 ArrayDeque 取代了（下面会介绍）。

2、Set

3、Queue

3.1 ArrayDeque

ArrayDeque 是一个基于数组实现的双端队列，为了满足可以同时在数组两端插入或删除元素的需求，数组必须是循环的，也就是说数组的任何一点都可以被看作是起点或者终点。

3.2 LinkedList

LinkedList 一般应该归在 List 下，只不过，它也实现了 Deque 接口，可以作为队列来使用。

实际上，LinkedList 同时实现了 Stack、Queue、PriorityQueue 的所有功能。

java 复制代码 
// 演示 LinkedList 的队列特性
LinkedList<String> queue = new LinkedList<>();

// 区别于 add, offer元素用于向队尾添加元素
queue.offer("apple");
queue.offer("avocado");
System.out.println(queue); // 输出 [apple, avocado]

// 删除元素
queue.poll();
System.out.println(queue); // 输出 [avocado]

// 修改元素：LinkedList 中的元素不支持直接修改，需要先删除再添加
String first = queue.poll();
queue.offer("apple");
System.out.println(queue); // 输出 [apple]

// 查找元素：既可以查找下标，也可以查找内容
System.out.println(queue.get(0)); // 输出 apple
System.out.println(queue.contains("apricot")); // 输出 false

// 查找元素：使用迭代器的方式查找陈清扬
// 使用迭代器依次遍历元素并查找
Iterator<String> iterator = queue.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
    String element = iterator.next();
    if (element.equals("apple")) {
        System.out.println("找到了：" + element);
        break;
    }
}
3.2.1 add--remove / offer--poll

LinkedList 同时实现了 List 和 Deque（双端队列）接口，因此，其同时拥有两组插入/删除的方法：

  • add--remove：List 接口中定义的方法
    • 在 LinkedList 实例的尾部进行插入和删除
  • offer--poll：Deque 接口中定义的方法
    • 在 LinkedList 实例的尾部进行插入，头部进行删除（即队列的特征）

3.3 ArrayDeque 和 LinkedList

LinkedList 和 ArrayDeque 都是 Java 集合框架中的双向队列（deque），它们都支持在队列的两端进行元素的插入和删除操作。

不过，LinkedList 和 ArrayDeque 在实现上有一些不同：

  • 底层实现方式不同：LinkedList 是基于链表实现的，而 ArrayDeque 是基于数组实现的。
  • 随机访问的效率不同：由于底层实现方式的不同，LinkedList 对于随机访问的效率较低，时间复杂度为 O(n)，而 ArrayDeque 可以通过下标随机访问元素，时间复杂度为 O(1)。
  • 迭代器的效率不同：LinkedList 对于迭代器的效率比较低，因为需要通过链表进行遍历，时间复杂度为 O(n)，而 ArrayDeque 的迭代器效率比较高，因为可以直接访问数组中的元素，时间复杂度为 O(1)。
  • 内存占用不同：由于 LinkedList 是基于链表实现的，它在存储元素时需要额外的空间来存储链表节点，因此内存占用相对较高，而 ArrayDeque 是基于数组实现的，内存占用相对较低。
  • 如何选择？
    • 如果需要在双向队列的两端进行频繁的插入和删除操作，并且需要随机访问元素，可以考虑使用 ArrayDeque；
    • 如果需要在队列中间进行频繁的插入和删除操作，可以考虑使用 LinkedList。'

3.4 PriorityQueue

PriorityQueue 是一种优先级队列，它的出队顺序与元素的优先级有关，执行 remove 或者 poll 方法，返回的总是优先级最高的元素。

Map

  • Map 保存的是键值对，键要求保持唯一性，值可以重复。
  • Map 接口的常见实现类有两个：
    • HashMap
    • TreeMap

1. HashMap

  • HashMap 可以根据键快速地查找对应的值------通过哈希函数将键映射到哈希表中的一个索引位置，从而实现快速访问。
  • HashMap 中的键和值都可以为 null。如果键为 null，则将该键映射到哈希表的第一个位置。
  • 可以使用迭代器或者 forEach 方法遍历 HashMap 中的键值对。
  • HashMap 有一个初始容量和一个负载因子。初始容量是指哈希表的初始大小，负载因子是指哈希表在扩容之前可以存储的键值对数量与哈希表大小的比率。默认的初始容量是 16，负载因子是 0.75。
java 复制代码 
// HashMap 实例
HashMap<String, String> hashMap = new HashMap<>();

// 添加键值对
hashMap.put("苹果", "apple");
hashMap.put("牛油果", "avocado");
hashMap.put("香蕉","Banana");

// 遍历 HashMap
for (String key : hashMap.keySet()) {
    String value = hashMap.get(key);
    System.out.println(key + " 对应的值为：" + value);
}
// HashMap 中,键的顺序是根据键的哈希码计算结果来决定的,因此,不保证有序
// 输出为 苹果-- 香蕉--牛油果

// 获取指定键的值
String value1 = hashMap.get("苹果");
System.out.println("苹果对应的值为：" + value1);

// 修改键对应的值
hashMap.put("苹果", "apple1");
String value2 = hashMap.get("苹果");
System.out.println("修改后苹果对应的值为：" + value2);

// 删除指定键的键值对
hashMap.remove("牛油果");

2. LinkedHashMap

  • LinkedHashMap 是 HashMap 的子类，。也就是说，只要是 LinkedHashMap ，那么必然也是一个 HashMap。
  • LinkedHashMap 可以看作是 HashMap + LinkedList 的合体。它使用哈希表来存储数据；使用双向链表来记录插入/访问元素的顺序，维持顺序。
  • 这里的顺序，指的是维持插入的顺序。
java 复制代码 
// LinkedHashMap 实例
LinkedHashMap<String, String> linkedHashMap = new LinkedHashMap<>();
linkedHashMap.put("苹果", "apple");
linkedHashMap.put("牛油果", "avocado");
linkedHashMap.put("香蕉","Banana");

// 遍历 LinkedHashMap
for (String key : linkedHashMap.keySet()) {
    String value = linkedHashMap.get(key);
    System.out.println(key + " 对应的值为：" + value);
}
// linkedHashMap 保证顺序,输出为 苹果--牛油果--香蕉,可对比 HashMap 的无序

3. TreeMap

  • TreeMap 实现了 SortedMap 接口，可以自动将键按照自然顺序或指定的比较器顺序排序，并保证其元素的顺序。
  • 内部使用红黑树来实现键的排序和查找。
  • 这里的顺序，指的是以键值为依据，按照某种规则排序。
java 复制代码 
// TreeMap 实例
Map<String, String> treeMap = new TreeMap<>();

// 向 TreeMap 中添加键值对
treeMap.put("c", "cat");
treeMap.put("a", "apple");
treeMap.put("b", "banana");

// 遍历 TreeMap
for (Map.Entry<String, String> entry : treeMap.entrySet()) {
    System.out.println(entry.getKey() + ": " + entry.getValue());
}
// 按照默认顺序对键进行了排序,输出是 a--b--c

// 查找键值对
String name = "c";
if (treeMap.containsKey(name)) {
    System.out.println("找到了 " + name + ": " + treeMap.get(name));// 输出 c:cat
} 

// 修改键值对
name = "a";
if (treeMap.containsKey(name)) {
    System.out.println("修改前的 " + name + ": " + treeMap.get(name));// 输出 a:apple
    treeMap.put(name, "aovcado");
    System.out.println("修改后的 " + name + ": " + treeMap.get(name));// 输出 a:aovcado
} 

// 删除键值对
name = "b";
if (treeMap.containsKey(name)) {
    System.out.println("删除前的 " + name + ": " + treeMap.get(name));
    treeMap.remove(name);
    System.out.println("删除后的 " + name + ": " + treeMap.get(name));// 输出 b:null
}

ArrayList

  • ArrayList 和 HashMap，算是最常用的两个集合框架实现。
  • ArrayList 基于数组实现了 List 接口。
  • Java 原生数组的大小是固定的，但 ArrayList 提供了自动扩容。

LinkedList

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