Java筆記：集合

来源:https://www.cnblogs.com/guyuyun/archive/2020/06/10/13069907.html
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集合是一種容器對象，是用來存儲對象的，或者說存儲的都是對象的引用，並不是直接存儲的對象，而是存儲的對象的記憶體地址。需要註意的是，集合中不能存儲基本數據類型，即使是代碼中往集合中添加了基本數據類型，那也是進行了自動裝箱之後才放入集合的。 需要註意的是，Java中每一種不同的集合，底層會對應不同的數據結 ...


集合是一種容器對象，是用來存儲對象的，或者說存儲的都是對象的引用，並不是直接存儲的對象，而是存儲的對象的記憶體地址。需要註意的是，集合中不能存儲基本數據類型，即使是代碼中往集合中添加了基本數據類型，那也是進行了自動裝箱之後才放入集合的。

需要註意的是，Java中每一種不同的集合，底層會對應不同的數據結構，所以應該根據實際情況選擇使用合適的集合類型。

所有的集合都在“java.util”中，導入的時候去util包里找即可。

註：集合的定義中會經常看到<E>等尖括弧表示的語法，這是泛型的定義，表示可以根據需要傳入自己需要的類型，如果不傳入，預設就是Object類型。即如果傳入指定的類型，則集合中只能存儲指定的類型，否則集合中可以存儲Object類的所有子類型。

 

1、Collection集合繼承結構

Collection類型的集合特點是以單個對象的個體方式存儲元素。

java.lang.Object --> java.util.AbstractCollection<E>這個類實現了以下兩個介面：

  • Iterable<E>：這個介面用於獲取遍歷集合所需要的迭代器。
  • Collection<E>：這是所有集合的超級父介面，裡面定義許多集合通用的方法。

Collection<E>介面中的常用方法：

  • boolean add(E e)：向集合末尾添加一個元素。
  • int size()：返回集合中元素的個數。註意，不是返回集合的容量，而是實際存儲的元素個數。
  • void clear()：清空集合中的所有元素。
  • boolean contains(Object o)：判斷當前集合中是否包含某個元素。這個方法其實是調用了元素o對象的equals方法來比較集合中的每個元素，如果有返回true的結果，則contains方法則返回true，否則返回false。
  • boolean remove(Object o)：刪除集合中的某個元素。這個方法也會調用o對象的equals方法來進行判斷。
  • boolean isEmpty()：判斷集合是否為空。
  • Iterator<E> iterator()：返回一個迭代器，需要註意的是，返回的迭代器一開始並沒有直接就指向了第一個元素。另一個需要註意的點，就是集合的結構或者內容發生改變時，迭代器也需要重新獲取，所以如果在迭代的過程中需要刪除元素，那麼就不能使用集合對象本身的remove方法，需要使用迭代器自身的remove方法。（返回的迭代器從原理上可以理解為當前集合狀態的一個快照，迭代的時候只是會參照這個快照進行迭代，所以如果集合本身發生了變化，那麼就和快照不一致了，此時再按照快照的狀態去迭代集合元素就會發生異常。）
  • 註：因為contains和remove方法都會用到equals方法，所以需要保證往集合中添加的元素都已經重寫了equals方法，特別是自己定義的對象。

Iterator<E> iterator()中常用的方法：

  • boolean hasNext()：如果仍有元素可以迭代，則返回true，否則返回false。
  • E next()：返回迭代的下一個元素。這裡需要註意，如果沒有指定泛型，返回值類型是Object，雖然存儲數據的時候可能是別的具體類型，但是獲取數據的時候必須是Object。
  • default void remove()：刪除迭代器指向的當前元素，即next方法返回的那個元素。（原理可以理解是，先刪除快照中的當前元素，然後再同步刪除集合中對應的元素。）
  • 註：通常先使用hasNext方法判斷是否可以繼續迭代，如果可以就使用next方法返回下一個元素， 註意，通過Iterator()方法剛返回的迭代器並沒有指向第一個元素，只有使用next方法之後才會指向第一個元素並往後迭代。）

Collection<E>介面下常用的子介面：

  • List<E>：這個介面下的集合的特點是集合元素有序可重覆，並且可以通過下標訪問集合元素。實現這個介面的常用的類有ArrayList、LinkedList和Vector。
  • Set<E>：這個介面下的集合的特點是集合元素無序不可重覆，並且不可以通過下標訪問集合元素。實現這個介面的常用的類有HashSet和TreeSet。

List<E>介面中的常用方法：

  • boolean add(E e)：在集合末尾添加一個元素。
  • void add(int index, E element)：在列表的指定位置添加一個元素。這個方法使用的較少，因為效率較低。
  • E get(int index)：獲取指定位置的元素。
  • int indexOf(Object o)：獲取某個元素第一次出現的索引。
  • int lastIndexOf(Object o)：獲取某個元素最後一次出現的索引。
  • E remove(int index)：刪除指定位置的元素。
  • E set(int index, E element)：修改指定位置的元素。

 

2、Map集合繼承結構

Map類型的集合特點是以key和value鍵值對的方式來存儲集合元素的，即一個鍵值對算作一個集合元素。

java.util.Map<K,​V>介面中常用的方法：

  • V put(K key, V value)：向Map集合中添加一個鍵值對。
  • V get(Object key)：通過key獲取value。
  • void clear()：清空Map集合。
  • boolean containsKey(Object key)：判斷Map集合中是否包含某個key。註意底層方法都是調用的equals方法比對的。
  • boolean containsValue(Object value)：判斷Map集合中是否包含某個value。註意底層方法都是調用的equals方法比對的。
  • boolean isEmpty()：判斷Map集合中元素個數是否為0。
  • Set<K> keySet()：獲取Map集合中所有的key。
  • Collection<V> values()：獲取集合中所有的value。
  • V remove(Object key)：通過key刪除鍵值對。
  • int size()：獲取Map集合中鍵值對的個數。
  • Set<Map.Entry<K, V>> entrySet()：將Map集合轉換為Set集合，Set集合中元素的類型是“Map.Entry<K, V>”，相當於是將Map集合中每個元素的key和value聯合起來當成了Set集合中的一個元素了。

java.util.Map<K,​V>介面的常用實現類：

  • HashMap<K,​V>：這是Map下常用的集合，特點是集合的key無序不可重覆，但是value可以重覆。
  • Hashtable<K,​V> --> Properties：Hashtable本身和HashMap的作用類似，但是Hashtable是線程安全的，由於這個線程安全的實現方式導致效率較低，所以用的較少了，用的較多的是它的子類Properties。
  • SortedMap<K,​V> --> TreeMap<K,​V>：TreeMap<K,​V>也是一個Map集合下常用的集合，特點是除了集合的key無序不可重覆外，由於實現了SortedMap<K,​V>介面，集合的key在存放進去後會自動排序。

 

3、ArrayList<E>

特點：集合元素有序可重覆，可通過下標訪問集合元素，並且是非線程安全的。

方法：Collection<E>和List<E>介面中的方法ArrayList<E>都可以使用。

線程安全：如果想要將ArrayList<E>變為線程安全的，可以通過“java.util.Collections”的synchronizedList(yourList)方法將你的ArrayList對象傳入，之後的ArrayList就會變成線程安全的了。

底層原理：ArrayList底層採用的是Object類型數組的數據結構，創建對象時可以傳入數組的大小，如果沒有傳入數組大小，則會在初始化時創建一個空列表，然後在第一次往裡面添加數據時才會創建一個大小為10的數組。在往數組中添加數據時，如果容量滿了，那麼數組會自動進行擴容，並且擴容之後的數組容量為原容量的1.5倍。

優缺點：就和數組的優缺點一樣，查詢效率很快，往預設添加數據也很快，但是隨機增刪元素的效率較低，所以使用的使用應該儘量避免隨機增刪以及擴容的操作。

使用示例： 

import java.util.ArrayList;
 import java.util.Iterator;
 import java.util.List;
 
 
 public class GenericTest {
     public static void main(String[] args) {
         // 指定集合中的元素類型為Pet，不能存儲其它類型的元素
         // 使用new的時候可以不用再傳入類型了，可以自動推斷，此時的表達式<>也稱為鑽石表達式
         // 如果不指定泛型，也是可以的，預設就是Object類型
         List<Pet> petList = new ArrayList<>();
         Cat c = new Cat();
         Dog d = new Dog();
 
         petList.add(c);
         petList.add(d);
 
         // 迭代器的聲明也需要加上泛型的定義
         Iterator<Pet> it = petList.iterator();
         while (it.hasNext()) {
             // 原本next方法返回值的類型為Object，使用泛型之後返回的類型直接就是指定
             // 的類型，不需要進行類型轉換了。
             Pet p = it.next();
             p.play();
             // 當然，如果要使用具體的子類對象的方法，還是需要轉型之後才能調用
             if (p instanceof Cat){
                 Cat myCat = (Cat)p;
                 myCat.sleep();
             }
             if (p instanceof Dog){
                 Dog myDog = (Dog)p;
                 myDog.bark();
             }
         }
         /*
         輸出結果：
         寵物在玩耍！
         貓咪在睡覺！
         寵物在玩耍！
         狗子在嚎叫！
         */
     }
 }
 
 
 class Pet {
     public void play() {
         System.out.println("寵物在玩耍！");
     }
 }
 
 
 class Cat extends Pet {
     public void sleep() {
         System.out.println("貓咪在睡覺！");
     }
 }
 
 
 class Dog extends Pet {
     public void bark() {
         System.out.println("狗子在嚎叫！");
     }
 }

 

 

4、LinkedList<E>

特點：集合元素有序可重覆，可通過下標訪問集合元素。

方法：Collection<E>和List<E>介面中的方法ArrayList<E>都可以使用。

底層原理：底層採用的是雙向鏈表的數據結構，存儲的時候會將元素封裝到一個Node對象中，這個Node對象除了有元素本身外，還有兩個變數next和prev，用於下一個節點和上一個節點的地址，這樣就形成了一個“雙向”的鏈表了。雖然是鏈表，但是還是可以使用下標，但是不推薦使用下邊進行查詢，因為每次查詢都得從頭結點開始，效率較低。

優缺點：查詢效率較低，因為每次都要從頭結點開始查詢，但是隨機增刪元素的效率較高，因為只會涉及到上一個節點和下一個節點中變數next和prev的修改，不會像數組那樣會涉及到該元素之後的值的整體移動。所以在選擇使用上，如果隨機增刪的業務較多，應該使用LinkedList，如果需要往集合中頻繁的添加或查詢數據，就使用ArrayList。

容量：LinkedList因為是鏈表的數據結構，所以在記憶體空間上是沒有連續性的，並且也沒有容量的說法，剛開始都是空的，沒有任何元素。

 

5、Vector<E>

Vector和ArrayList一樣底層都是數組的數據結構，在使用上也是一樣的，區別在於Vector是線程安全的，但是也是因為這點，導致效率較低，而ArrayList可以使用其他更好的方法來保證線程安全，所以Vector已經使用的較少了。

 

6、HashSet<E>

特點：集合元素無序不可重覆，不可通過下標訪問集合元素。

方法：Collection<E>介面中的方法ArrayList<E>都可以使用。

底層原理：HashSet底層其實是採用HashMap類型來存儲元素的，不過只是用到了HashMap的key部分，value部分並沒有用到，HashMap的key本身就是無序不可重覆的，所以可以看成是HashMap所有的Key組成了一個HashSet。所以想要更好的理解HashSet，參見HashMap部分的筆記。

 

7、TreeSet<E>

特點：集合元素無序不可重覆，不可通過下標訪問集合元素，但是存放到集合中的數據都是按升序自動排好序的。

方法：Collection<E>介面中的方法ArrayList<E>都可以使用。

底層原理：由於TreeSet實現了SortedSet，所以存放進去的元素都是拍好序的，“無序不可重覆”中的無序指的是存入進去的順序和取出來的順序不一致，這和存入進去之後自動排序是不一樣的，不要搞混了。和HashSet類似，TreeSet底層其實使用Map下的TreeMap來存儲數據的，它也是只用到了TreeMap的key部分，沒有用到value部分，所以理解TreeSet，可以參見TreeMap部分的筆記。

自動排序：為了改變自動升序為自動降序排列，或者存儲自定義的類型的時候，需要重寫或自定義TreeSet的排序機制，特別是自定義的類型，如果沒有同時定義好排序機制的話是會報錯的，自定義排序機製為：給這個自定義的類實現“java.lang.Comparable”介面或者自定義一個比較器“java.util.Comparator”。示例如下：

import java.util.Comparator;
 import java.util.TreeSet;
 
 public class TreeSetTest {
     public static void main(String[] args) {
         User u1 = new User(10);
         User u2 = new User(30);
         User u3 = new User(20);
 
         // 預設使用無參構造方法，即比較器為null，此時需要在類中實現Comparable介面的compareTo方法
         TreeSet<User> ts = new TreeSet<>();
         // 也可以自定義一個比較器，傳入構造方法
         // TreeSet<User> ts = new TreeSet<>(new UserComparator());
         ts.add(u1);
         ts.add(u2);
         ts.add(u3);
 
         for (User u : ts){
             System.out.println(u);
         }
     }
 }
 
 /*
   如果是需要往TreeSet中添加，則需要實現Comparable介面，並重寫compareTo方法
  */
 class User implements Comparable<User>{
     int age;
 
     public User(){
 
     }
 
     public User(int age){
         this.age = age;
     }
 
     /*
       排序會根據compareTo方法返回大於0、小於0或者等於0三種情況進行排序
       可根據自身需要根據三種結果進行自定義排序的規則的編寫
      */
     public int compareTo(User u){
         return this.age - u.age;
     }
 
     public String toString(){
         return "User: " + age;
     }
 }
 
 
 /*
   構造器需要實現Comparator介面，並重寫compare方法
  */
 class UserComparator implements Comparator<User>{
     public int compare(User u1, User u2){
         return u1.age - u2.age;
     }
 }

 

8、HashMap<K,​V>

 特點：使用鍵值對存儲數據，key無序不可重覆，value是可以重覆的，並且是非線程安全的。

底層原理：HashMap的底層其實是哈希表或者說散列表的數據結構，而這個哈希表又是由數組和單向鏈表或者紅黑樹組成，初始化時它是單向鏈表，當添加的元素導致單向鏈表的節點數超過8個時，就會自動轉換為紅黑樹，而紅黑樹的節點數如果少於了6個，又會自動轉換為單向鏈表，之所以這樣實現，還是想要更加快速地對集合元素進行查詢。數組部分其實是一個Node類型的一位數組，每個元素都是一個Node對象，Node對象有“final int hash”、“final K key”、“V value”、“Node<K, V> next”四個基本屬性，其中hash表示是將key通過從Object重寫的hashCode方法返回的哈希值，並且這個hash值在底層可以通過另外的哈希演算法（這個演算法不需要關註）得到對應的數組下標，即這個hash值可以看成是和數組下標對應的，或者直接將他看成數組下標也行，next則表示下一個節點的記憶體地址。以最開始的數組和單向鏈表為例，使用put方法和get方法更加詳細的說明HashMap的原理。

put方法原理：當執行put方法將一個鍵值對存入HashMap集合時，會按照以下步驟執行：

  • 第一步：先將key和value封裝到Node對象中，然後底層會調用key的hashCode方法（這個方法就是Object類中繼承來並重寫的方法）得到hash值，此時Node對象中有三個值已經初始化好了：key，value和hash值，另一個next為空。
  • 第二步：將hash值通過底層另外的哈希演算法轉換為數組的下標，如果數組對應下標位置沒有任何元素，就把此Node對象添加到這個位置上。如果下標對應的位置上已經有了元素，那麼就會此Node對象的key去和此位置對應的鏈表從頭結點一個一個挨著去使用equals方法進行匹配，如果所有節點的equals方法都返回false，那麼就將此Node節點添加到鏈表的末尾，否則就將equals方法返回true的節點的value覆蓋掉。

get方法原理：當使用一個key值通過get方法獲取對應的value時，會按照以下步驟執行：

  • 第一步：先調用key的hashCode()方法得出hash值，然後通過底層另外的哈希演算法得出數組的下標。
  • 第二步：然後通過這個下標快速定位到數組的對應位置上，如果這個位置上什麼也沒有，則返回null。否則就會使用key在對應位置的單向鏈表上從頭結點開始一個節點一個節點的使用equals方法去比較對應節點的key，如果有一個節點的equals方法返回true，則返回對應的value，否則，如果所有的節點都返回false最後的結果就直接返回null。

hashCode()和equals()方法重寫：由以上put和get的實現原理可以看出，同一個數組位置的單向鏈表上的所有節點的hash值都是相同的，但是key的equals方法返回值肯定是不同的。同時也可以發現，使用HashMap時，key對象需要重寫兩個方法，hashCode()和equals()方法。重寫hashCode方法時需要註意以下內容：

  • 如果hashCode方法固定返回一個值，那麼最終的結果就是只有一個單向鏈表，這種情況也稱之為散列分佈不均勻。
  • 如果hashCode方法每一個對象都返回不同的值，那麼就導致數組的每個位置上都只有一個元素，這肯定也是不行的，變成了單純的一維數組了，沒有單向鏈表了。
  • 重寫hashCode時應該儘量保證散列均勻，比如100個對象返回10個hashCode值，這就是散列均勻的。
  • 註：但是不用擔心，hashCode()和equals()這兩個方法的重寫大部分情況都可以通過IDEA工具自動生成，不用我們手動編寫。

數組容量：HashMap集合的預設容量是16，預設載入因數是0.75，表示預設的數組長度為16，當實際的數組使用達到容量的75%時就會進行自動擴容，擴容之後的容量是原容量的2倍。也可以在初始化時指定容量大小，但是官方推薦初始化容量最好是2的倍數，不然會影響HashMap的執行效率。

使用示例：

 import java.util.HashMap;
 import java.util.Map;
 import java.util.Set;
 
 
 public class MapTest {
     public static void main(String[] args) {
         Map<Integer, String> map = new HashMap<>();
         map.put(1, "張三");
         map.put(2, "李四");
         // 通過key遍歷Map中的鍵值對
         Set<Integer> keys = map.keySet();
         for (Integer key : keys) {
             String value = map.get(key);
             System.out.println(key + "=" + value);
         }
 
         // 通過Set<Map.Entry<Integer, String>>直接遍歷Map中的鍵值對
         // 如果記憶體允許，這種方式效率會比較高，適合大數據量的遍歷
         Set<Map.Entry<Integer, String>> es = map.entrySet();
         for (Map.Entry<Integer, String> node : es){
             System.out.println(node.getKey() + "=" + node.getValue());
         }
     }
 }

 

9、Hashtable<K,​V> 和Properties

Hashtable和HashMap的使用相似的，區別在於Hashtable是線程安全的，而後者是非線程安全的，但是和Vector的情況一樣，Hashtable線程安全的實現方式導致了效率較低的問題，所以使用的較少了。

Hashtable的一個子類Properties相比而言要常用一點，Properties也是線程安全的，Properties對象也稱之為屬性對象，它的特點是key和value都只支持String類型。常用的方法有：

  • Object setProperty(String key, String value)：調用Hashtable的put方法。
  • String getProperty(String key)：獲取指定key的value，如果沒有則返回null。
  • String getProperty(String key, String defualtValue)：獲取指定key的value，如果沒有查找到則返回defualtValue。

 

10、TreeMap<K,​V>

特點：使用鍵值對存儲數據，key無序不可重覆，value是可以重覆的，並且存入之後會按key升序自動排序。

底層原理：TreeMap實現了SortedMap<K,​V>介面，並且底層其實是自平衡二叉樹的數據結構，這種數據結構遵循左小右大的原則存放數據。存入的key和value其實是封裝到了一個Entry<K,V>節點對象中，這個節點對象除了存入的key和value，還有三個變數left、right和parent用於存放左子節點、右子節點和父節點的記憶體地址，這樣就剛好形成一個二叉樹。遍歷這個二叉樹時，通常有三種方式：前序遍歷（根左右）、中序遍歷（左根右）和後序遍歷（左右根），這個“前中後”指的是根（節點）在“左右”的位置或者說遍歷中的順序，對於中序遍歷，特點是遍歷出來的數據自動就是從小到大排序的。

 

11、Collections工具類

這個類專門定義了一些方便集合操作的方法。常用的有：

  • synchronizedList：將一個非線程安全的列表變為線程安全的。
  • sort：將一個列表排序。註意，這個介面需要排序的元素實現了Comparable介面，不然會報錯。
  • sort(List集合, 比較器)：這種方式就不用實現Comparable介面了，但是需要提供一個比較器。

 


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