Java集合

前言

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一、接口继承关系和实现

集合类存放于Java.util包中,主要有3种：set（集）、list（列表包含Queue）和map（映射）

Collection： Collection是集合List、Set、Queue的最基本的接口
Iterator：迭代器，可以通过迭代器遍历集合中的数据
Map：是映射表的基础接口

二、List

Java的List是非常常用的数据类型。List是有序的Collection。JavaList一共有三个实现类，分别是：ArrayList、Vector、LinkedList

2.1 ArrayList（数组）

ArrayList是最常用的List实现类，内部是通过数组来实现的，它允许对元素进行快速随机访问。数组的缺点是每隔元素之间不能有间隙，当数组大小不满足时需要增加存储能力，就要将已有数组的数据复制到新的存储空间中。当从ArrayList的中间位置插入或者删除元素时，需要对数组进行复制、移动，代价比较高。因此，它适合随机查找和遍历，不适合插入和删除。

2.2 Vector（数组实现、线程同步）

Vector和ArrayList一样，也是通过数组实现的，不通的是它支持线程的同步，即某一时刻只有一个线程能够写Vector，可以避免多线程同时写而引起的不一致性，但实现同步需要很高的花费，因此访问速度比ArrayList慢。

2.3 LinkList（链表）

LinkedList是用链表结构存储数据的，很适合数据的动态插入和删除，随机访问和遍历速度比较慢。另外，他还提供了List接口中没有定义的方法，专门用于操作表头和表尾元素，可以当做堆栈、队列和双向队列使用。

三、Set

Set注重独一无二的性质，该体系集合用于存储无序（存入和取出的顺序不一定相同），值不能重复。对象的相等性本质是对象的hashCode值（java是依赖对象的内存地址计算出来的）判断的，如果想要让两个不同的对象视为相等,必须重写Object的hashCode方法和equals方法。

3.1 HashSet（Hash表）

哈希表存放的是哈希值。HashSet存储元素的顺序并不是按照存入时的顺序（和List显然不同）而是按照哈希值来存的所以取数据也是按照哈希值来取的。元素的哈希值是通过元素的hashcode方法来获取的，HashSet首先判断两个元素的哈希值，如果哈希值一样，接着会比较equals方法，如果equals结果为true，HashSet就视为同一个元素，如果equals为false，就不是同一个元素。

哈希值相同equals为false的元素如何存储呢？就是在同样的哈希值下顺延（可以认为哈希值相同的元素放在同一个哈希桶中）。也就是哈希一样的存一列。如下图1表示hashCode值不相同的情况；图2表示hashCode值相同但是equals不同的情况：

HashSet通过hashCode值来确定元素在内存中的位置。一个hashCode位置上可以存储多个元素

3.2 TreeSet（二叉树）

TreeSet()是使用二叉树的原理对新add()的对象按照指定的顺序来排序（升序、降序）,每增加一个车对象都会进行排序，将对象插入的二叉树指定的位置
Integer和String对象都可以进行默认的TreeSet排序，而自定义的对象是不可以的，自定义的类必须实现*Comparable*接口，并且覆写相应的compareTo()函数，才可以正常使用
在覆写compare()函数时，要返回响应的值才使TreeSet按照一定的规则来排序
比较对象指定对象的顺序。如果该对象小于、等于、大于指定对象，则分别返回负整数、零或正整数

有两种方法可以对自定义对象进行排序：

重写compareTo()方法

java 复制代码

@Data
@Accessors(chain = true)
public class Article implements Comparable<Article> {

    private static final long serialVersionUID = 1L;

    private int id;
    
    private String userId;
    
     /**
     * 重写compareTo方法,实现排序
     */
    @Override
    public int compareTo(Article article) {
        return Integer.compare(this.id,article.getId());
    }
}

使用匿名函数对TreeSet实现:

java 复制代码

//自定义排序规则(逆序,通过交换p1、p2的位置来实现顺序或者逆序)
TreeSet<Article> set = new TreeSet<>((p1,p2)->Integer.compare(p2.getId(), p1.getId()));

3.3 LinkHashSet（HashSet+LinkedHashMap）

对于LinkHashSet而言，它继承于HashSet、又基于LinkedHashMap来实现的。LinkHashSet底层使用LinkedHashMap来保存所有元素，它继承于HashSet，其所有的方法操作上又于HashSet相同，因此，LinkedHasSet的实现上非常简单，只提供了四个构造方法，并通过传递一个标识参数，调用父类的构造器，底层构造一个LinkedHashMap来实现，在相关操作上与父类HashSet相同，直接调用父类HashSet的方法即可。

四、Map

4.1 HashMap（数组+链表+红黑树）

HashMap根据 键的hashCode存储数据，大多数情况下，可以直接定位到它的值，因而具有很快的访问速度，但是遍历顺序却是不确定的。HashMap最多只允许一条记录的键为null，允许多条记录的值为null。HashMap非线程安全，即任一时刻可以有多个线程同时写HashMap。可能会导致数据的不一致。如果需要满足线程安全，可以使用Collection是的synchronizedMap方法使HashMap具有线程安全的能力,或者使用ConcurrentHashMap。我们用下图来介绍HashMap的结构。

4.1.1 Java7实现

大方向上，HashMap里面是一个数组，然后数组中每个元素是一个单向链表。上图中，每个绿色的实体是嵌套类Entry的实例，Entry包含四个属性：key、value、hash值、和用于单向链表的next。

capacity：当前数组容量，始终保持 2ⁿ，可以扩容，扩容后数组大小为当前的2倍
loadFactor：负载因子，默认为0.75
threshold：扩容的阈值，等于 capacity * loadFactory

4.1.2 Java8实现

Java8对HashMap进行了一些修改,最大的不同就是利用了红黑树,所以其由数组+链表+红黑树组成。

根据Java7 HashMap的介绍，我们知道，查找的时候，根据hash值我们能够快速定位到数组的具体下标,但是之后的话，需要顺着链表一个个比较下去才能找到我们需要的，时间复杂度取决于链表长度，为O(n)。为了降低这部分开销，在Java8中，当链表中的元素超过8个以后，会将链表转换为红黑树，在这些位置进行查找的时候，可以降低时间复杂度为 O(logN)。

4.2 ConcurrentHashMap

4.2.1 Segment段

ConcurrentHashMap和HashMap的思路是差不多的，但是因为它支持并发操作，所以要复杂一些。整个ConcurrentHashMap由一个个Segment组成，segment代表"部分"或"一段"的意思。所以很多地方都将其描述成分段锁。下文中，使用"槽"来代替一个segment。

4.2.2 线程安全（Segment继承ReentrantLock加锁）

简单理解就是，ConcurrentHashMap是一个Segment数组，Segment砼工程继承ReentrantLock来进行加锁，所以每次需要加锁的操作锁住的是一个Segment，这样只要保证每个Segment是线程安全的，也就实现了线程安全。

4.2.3 并行度（默认16）

concurrencyLevel: 并行级别、并发数、Segment数，怎么翻译不重要，理解他。默认是16，也就是说，ConcurrentHashMap有16个Segments，所以理论上，这个时候，最多可同时支持16个线程并发写，只要他们的操作分别分布在不通的Segment上。这个值可以在初始化的时候设置为其他，但是一旦初始化以后，它是不可以扩容的。再具体到每个Segment内部，其实每个Segment很像之前介绍的HashMap，不过它要保证线程安全，所以处理起来要麻烦些。

4.2.4 Java8实现（引入了红黑树）

Java8对ConcurrentHashMap进行了比较大的改动，java8也引入了红黑树。

4.3 HashTable（线程安全）

HashTable是遗留类，很多映射的常用功能与HashMap类似，不通的是HashTable继承自Dictionary类，并且是线程安全的，任一时间只有一个线程能写HashTable，并发性不如ConcurrentHashMap，因为ConcurrentHashMap引入了分段锁。HashTable不建议在新代码中使用，不需要线程安全的场合可以用HashMap替换，需要线程安全的场合可以用ConcurrentHashMap替换。

4.4 TreeMap（可排序）

TreeMap实现了SortedMap接口，能够把它保存的记录根据键排序，默认是按键值的升序排列，也可以指定排序的比较器，当用Iterator遍历TreeMap时，得到的记录是排过序的。

如果使用排序的映射，建议使用TreeMap；在使用TreeMap时，key必须实现 Comparable接口或者在构造TreeMap时传入自定义的Comparable，否则在运行时会抛出java.lang.ClassCastException类型的异常.

4.5 LinkHashMap（记录插入顺序）

LinkHashMap是HashMap的一个子类，保存了记录的插入顺序，在用Iterator遍历LinkHashMap时，先得到的记录肯定是先插入的，也可以在构造时带参数，按照访问持续排列。