Java高级应用——集合框架-优快云博客

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本文详细介绍了Java集合框架，包括Collection和Map两大体系。Collection体系含List、Set等子接口及对应实现类，如ArrayList、HashSet等；Map体系有HashMap、ConcurrentHashMap等实现类。还介绍了Iterator接口和Collections工具类，阐述各接口和类的特点、方法及使用注意事项。

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集合框架

Collection和Map两大体系介绍

Java集合可分为Collection和Map两大体系：

Collection接口：用于存储一个个的数据，也被称为"单列数据集合"。
- List子接口：用来存储有序的、可重复的数据，主要用于替代数组，实现了动态数组的功能。
  - 实现类：ArrayList（主要实现类）、LinkedList、Vector。
- Queue子接口：用于存储一组元素，并支持在集合的一端添加元素、在另一端移除元素。它通常按照特定的规则进行元素的添加和移除，例如先进先出（FIFO）或者优先级排序。
  - 实现类包括LinkedList（实现了双端队列）
  - PriorityQueue（实现了优先级队列）。
- Deque子接口：是Queue接口的子接口，表示"双端队列"（Double Ended Queue）。它支持在两端进行元素的插入、删除和检索操作。
  - 实现类包括LinkedList（主要实现类）。
- 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。
  - EnumSet类：是Set接口的一个特殊实现类，用于存储枚举类型的元素。它基于位向量实现，具有高效的性能和内存利用率。
  - SortedSet接口：是Set接口的子接口，用于存储有序的、不重复的元素。它按照元素的自然顺序或者自定义的比较器进行排序。实现类包括TreeSet（主要实现类）。
  - NavigableSet接口：是SortedSet接口的子接口，提供了一系列用于导航和操作有序集合的方法。它支持根据元素查找、范围查找以及获取最小/最大元素等操作。实现类包括TreeSet（主要实现类）。
Map接口：用于存储具有映射关系的"键-值"对集合，即一对一对的数据，也被称为"双列数据集合"。类似于高中的函数、映射关系（例如，(x1, y1)，(x2, y2) —> y = f(x)）。
- 实现类：HashMap（主要实现类）、LinkedHashMap、TreeMap、Hashtable、Properties。
- ConcurrentHashMap类：是Map接口的一个实现类，它是线程安全的哈希表实现，支持高并发的读写操作。相比于HashMap，它在并发环境下提供了更好的性能和线程安全性。
- SortedMap接口：是Map接口的子接口，用于存储有序的键值对。它按照键的自然顺序或者自定义的比较器进行排序。实现类包括TreeMap（主要实现类）。
- NavigableMap接口：是SortedMap接口的子接口，提供了一系列用于导航和操作有序映射的方法。它支持根据键查找、范围查找以及获取最小/最大键等操作。实现类包括TreeMap（主要实现类）。

Iterator(迭代器)接口

Iterator接口：用于遍历集合中的元素，并提供了一种统一的方式来访问集合中的元素，而不需要了解底层的数据结构。它定义了一些方法，如hasNext()、next()和remove()，用于遍历和操作集合中的元素。

方法：

boolean hasNext(): 返回一个布尔值，表示集合中是否还有下一个元素可以遍历。如果有，则返回true；否则返回false。
E next(): 返回集合中的下一个元素，并将迭代器的指针向后移动。如果没有下一个元素可遍历，将抛出NoSuchElementException异常。
void remove(): 从集合中移除通过迭代器最后一次返回的元素（可选操作）。该方法只能调用一次，每次调用必须在调用next()之后进行。如果在调用next()之前或者已经调用了remove()，再次调用remove()将会抛出IllegalStateException异常。

注意事项：

迭代器在遍历过程中，可以使用remove()方法从集合中移除元素。但如果在调用next()之前或者连续两次调用remove()，将会抛出IllegalStateException异常。
如果在迭代器的遍历过程中，通过集合的其他方式（例如直接调用集合的remove()方法）修改了集合的结构，迭代器将变为不合法状态，继续使用迭代器的方法可能会导致未定义的行为。
迭代器是通过集合的iterator()方法获取的，例如Iterator<E> iterator() 。每次调用iterator()方法都会返回一个新的迭代器实例，它的初始位置位于集合的第一个元素之前。
迭代器是设计用于单向遍历的，不支持逆向遍历。如果需要逆向遍历集合，可以考虑使用ListIterator接口。

Collection——List接口

特点：

有序性：List中的元素按照插入的顺序进行存储，并且可以根据索引访问和操作元素。这意味着元素在List中的位置是可以确定的。
可重复性：List允许存储重复的元素，即可以包含多个相同的元素。
索引访问：通过索引可以直接访问List中的元素。索引的范围是从0到size()-1，其中size()方法返回List中的元素个数。
可变性：List是可变的，可以根据需要插入、删除和修改元素。可以使用add()方法在指定位置插入元素，使用remove()方法删除指定位置的元素，使用set()方法修改指定位置的元素。
可以使用foreach循环进行遍历：List可以通过foreach循环遍历其中的元素，也可以使用迭代器（Iterator）进行遍历。

常用方法：

boolean add(E element): 将指定的元素添加到List的尾部。
void add(int index, E element): 在指定的位置插入指定的元素。
boolean remove(Object element): 从List中删除指定的元素，如果存在多个相同的元素，只删除第一个匹配的元素。
E remove(int index): 删除指定位置的元素，并将其返回。
E get(int index): 返回指定位置的元素。
E set(int index, E element): 修改指定位置的元素，并返回被替换的元素。
int indexOf(Object element): 返回指定元素在List中第一次出现的索引，如果不存在则返回-1。
int size(): 返回List中的元素个数。
boolean isEmpty(): 判断List是否为空，如果为空则返回true，否则返回false。

注意事项：

List接口是一个接口，不能直接实例化，需要使用它的实现类如ArrayList、LinkedList等进行实例化。
List接口中的索引从0开始，因此访问第一个元素的索引是0，访问最后一个元素的索引是size()-1。
List接口允许存储null元素。
List接口继承自Collection接口，因此也继承了Collection接口中的一些方法，如boolean contains(Object element)、void clear()等。
List接口可以通过迭代器（Iterator）进行遍历，也可以使用foreach循环遍历。

List接口的实现类

ArrayList类：

特点：基于动态数组实现，内部使用数组来存储元素，支持快速随机访问和修改，适用于随机访问和频繁修改元素的场景。
优点：读取、修改元素的时间复杂度为O(1)，插入、删除元素的时间复杂度为O(n)。
缺点：在插入和删除元素时，需要移动其他元素的位置，性能较LinkedList差。

LinkedList类：

特点：基于双向链表实现，内部使用链表来存储元素，支持快速插入和删除操作，适用于频繁插入和删除元素的场景。
优点：插入、删除元素的时间复杂度为O(1)，读取、修改元素的时间复杂度为O(n)。
缺点：随机访问元素的性能较ArrayList差。

Vector类：

特点：与ArrayList类似，基于动态数组实现，是ArrayList的线程安全版本，支持快速随机访问和修改。
优点：读取、修改元素的时间复杂度为O(1)，插入、删除元素的时间复杂度为O(n)。
缺点：线程安全的开销较大，在单线程环境下性能较ArrayList差。

Stack类：

特点：继承自Vector类，表示堆栈（后进先出）数据结构，支持将元素压栈和弹栈操作。

Collection——Set接口

特点：

不允许重复元素：Set接口中不允许包含重复的元素。如果试图将重复元素添加到Set中，添加操作将被忽略，不会抛出异常。
无序性：Set接口不保证元素的顺序，即元素在Set中的存储顺序与添加顺序可能不同。具体的实现类可能会根据自身的规则对元素进行排序。
基于哈希表或树结构实现：Set接口的具体实现类可以基于哈希表（如HashSet、LinkedHashSet）或树结构（如TreeSet）来存储元素。
哈希表实现：
- HashSet类：基于哈希表实现，使用哈希函数来存储元素，具有较快的添加、删除和查找操作的性能。
- LinkedHashSet类：基于哈希表和链表实现，除了具有HashSet的特点外，还保持了元素的插入顺序。
树结构实现：
- TreeSet类：基于红黑树（自平衡二叉查找树）实现，元素按照特定的顺序进行存储，可以提供有序的集合视图。
元素的判定依据：Set接口使用元素的equals()和hashCode()方法来判断元素的重复性。因此，对于自定义对象，需要正确实现equals()和hashCode()方法以确保正确的去重和查找。
支持null元素：Set接口允许存储一个null元素（某些实现类除外），但只能存储一个null元素，不能存储多个null元素。

Set接口的实现类：

HashSet类

特点：
- HashSet基于哈希表实现，利用哈希函数存储元素，不保证元素的顺序，具有快速的添加、删除和查找操作性能。
- 插入、删除和查找元素的时间复杂度为O(1)。
- HashSet不保证元素的顺序，不适用于需要有序集合的场景。
HashSet的其他特点包括：
- 不能保证元素的排列顺序。
- HashSet不是线程安全的。
- 集合元素可以为null。
HashSet判断两个元素相等的标准是：
- 通过hashCode()方法获取的哈希值相等。
- 通过equals()方法比较返回true。
HashSet是Set接口的主要实现类，通常在使用Set集合时使用HashSet。
HashSet按照哈希算法存储集合中的元素，因此具有良好的存储、查找和删除性能。
HashSet集合中元素的无序性不等同于随机性。无序性与元素的添加位置有关，元素在数组中的存储位置由元素的hashCode()方法返回的哈希值决定，导致数组中的元素并非连续存放，呈现一定的无序性。

向HashSet集合中添加元素的过程包括：

当向HashSet集合存入元素时，HashSet会调用该对象的hashCode()方法获取哈希值，并根据哈希值通过散列函数确定该对象在底层数组中的存储位置。
如果存储位置上没有元素，则直接添加成功。
如果存储位置上已经有元素，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，则继续调用equals()方法：
  - 如果equals()方法返回false，则添加成功。
  - 如果equals()方法返回true，则添加失败。

当程序运行时，同一个对象多次调用hashCode()方法应返回相同的值。当两个对象的equals()方法返回true时，它们的hashCode()方法的返回值也应相等。对象中用于equals()方法比较的字段应参与计算hashCode值。

在重写equals()方法时，通常需要同时重写hashCode()方法。推荐使用Eclipse/IDEA等开发工具提供的快捷键自动重写equals()和hashCode()方法。

为什么使用31作为hashCode计算中的系数？

选择较大的系数可以减少冲突，提高查找效率。31只占用5个bits，相乘造成数据溢出的概率较小。31可以表示为i*31=(i<<5)-1，这种表示在现代虚拟机中进行优化。此外，31是一个素数，因为用一个数字乘以素数，结果只能被素数本身、乘数和1整除，有助于减少冲突。

LinkedHashSet类：

特点：
- LinkedHashSet基于哈希表和链表实现，继承了HashSet的特点，并保持了元素的插入顺序。
- 元素的插入顺序在集合中得以保持，这是通过使用双向链表来维护元素次序实现的。
优点：
- 在LinkedHashSet中，插入、删除和查找元素的时间复杂度均为O(1)。这意味着这些操作具有很高的效率。
- LinkedHashSet不允许集合中存在重复的元素。每个元素在集合中都是唯一的。
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。

TreeSet类：

特点：
- 基于红黑树（自平衡二叉查找树）实现，元素按照特定的顺序进行存储，提供有序的集合视图。
- TreeSet是SortedSet接口的实现类，可以按照添加的元素的指定属性的大小顺序进行遍历。
优点：
- 元素按照自然排序或指定的比较器进行排序，支持快速的插入、删除和查找操作。
缺点：
- 插入、删除、查找元素的时间复杂度为O(log n)，因为涉及红黑树的平衡调整操作。
TreeSet底层使用红黑树结构存储数据。
TreeSet不允许重复元素，并且实现了排序功能（自然排序或定制排序）。
TreeSet提供了两种排序方法：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。
  - 如果试图将一个对象添加到TreeSet时，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，通过该方法的返回值来比较对象的大小。
- 定制排序：如果元素所属的类没有实现Comparable接口，或者不希望按照升序（默认情况）的方式排列元素，或者希望按照其他属性的大小进行排序，则可以考虑使用定制排序。定制排序通过Comparator接口实现，需要重写compare(T o1, T o2)方法。
  - 利用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接口的实例作为参数传递给TreeSet的构造器。
向TreeSet中添加元素时，由于只有相同类的两个实例才会比较大小，因此应该添加同一个类的对象。
对于TreeSet集合而言，判断两个对象是否相等的唯一标准是通过compareTo(Object obj)方法或compare(Object o1, Object o2)方法的返回值来比较。如果返回值为0，则认为两个对象相等。

EnumSet类：

特点：专门用于存储枚举类型的集合，内部使用位向量实现，具有非常高的性能和内存效率。
优点：支持高效的按位操作，只能存储同一枚举类型的元素。

Map接口

Java中的Map接口表示一种键值对的映射关系

Map接口的特点：

Map接口用于存储键值对，其中每个键都是唯一的。
Map接口不允许键重复，但允许值重复。
Map中的键值对没有固定的顺序，可以根据需要进行排序。
Map接口允许使用null键和null值。

Map接口的主要方法：

Map信息查询方法：

int size(): 返回Map中键值对的数量。
boolean isEmpty(): 判断Map是否为空。

Map元素判断方法：

boolean containsKey(Object key): 判断Map中是否包含指定的键。
boolean containsValue(Object value): 判断Map中是否包含指定的值。

Map元素获取方法：

V get(Object key): 根据键获取对应的值，若键不存在则返回null。

Map元素添加和修改方法：

V put(K key, V value): 将指定的键值对添加到Map中，并返回之前与该键关联的值（如果存在）。

Map元素删除方法：

V remove(Object key): 根据键删除对应的键值对，并返回该键关联的值。

Map批量操作方法：

void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m): 将指定的Map中的所有键值对添加到当前Map中。

Map清空操作方法：

void clear(): 清空Map中的所有键值对。

Map元素遍历方法：

Set<K> keySet(): 返回Map中所有键的集合。
Collection<V> values(): 返回Map中所有值的集合。
Set<Map.Entry<K, V>> entrySet(): 返回Map中所有键值对的集合。

Map接口的实现类

Map接口有多个实现类，其中常见的包括：

HashMap：基于哈希表实现，不保证元素的顺序。
LinkedHashMap：基于哈希表和链表实现，保持元素的插入顺序。
TreeMap：基于红黑树实现，按照键的自然顺序或自定义比较器进行排序。
Hashtable：线程安全的实现类，与HashMap类似，但支持同步操作。
ConcurrentHashMap：线程安全的实现类，支持高并发环境下的操作。

在使用Map接口时，可以根据具体的需求选择合适的实现类。需要注意的是，对于无序性要求较高的情况，可以选择HashMap或LinkedHashMap；对于有序性要求较高的情况，可以选择TreeMap。在多线程环境下，需要考虑使用线程安全的实现类Hashtable或ConcurrentHashMap。

此外，Map接口的键对象需要正确实现equals()和hashCode()方法，以确保正确的键值对查找和存储操作。通常情况下，使用具有良好散列分布的键对象可以提高性能。

HashMap类

特点：

HashMap类使用哈希表实现，通过键的哈希码来确定键值对的存储位置。
HashMap类不保证元素的顺序，即元素的顺序可能不同于插入的顺序。
HashMap允许使用null作为键和值。
HashMap类不是线程安全的，如果在多线程环境下使用，需要进行额外的同步处理。
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。

性能：

在HashMap中，插入、删除和查找元素的时间复杂度通常为O(1)，具有很高的效率。
HashMap的性能与负载因子（load factor）有关。负载因子是指HashMap在自动扩容之前可以达到的填充比例。默认负载因子为0.75，可以在构造HashMap时指定。
当HashMap中的元素数量接近负载因子与容量的乘积时，将会自动扩容，以保持较低的填充比例，提高性能。

ConcurrentHashMap类

特点：

ConcurrentHashMap类是线程安全的，可以在多线程环境下进行并发访问和修改。
ConcurrentHashMap类采用分段锁（Segment）的机制来实现线程安全，不同的段可以被不同的线程同时访问，提高了并发性能。
ConcurrentHashMap类不保证元素的顺序，即元素的顺序可能与插入的顺序不同。

性能：

ConcurrentHashMap类在多线程环境下提供高效的并发操作。
ConcurrentHashMap类将数据分割成多个段（Segment），每个段都有自己的锁，不同的线程可以同时访问不同的段，从而提高了并发性能。
ConcurrentHashMap类的性能与并发级别有关。可以在构造ConcurrentHashMap时指定并发级别，默认为16。并发级别影响了ConcurrentHashMap内部的段（Segment）数量，可以根据并发访问的线程数量进行调整。

LinkedHashMap类

特点：

LinkedHashMap类继承自HashMap类，具有HashMap的特性，如高效的查找和插入操作。
LinkedHashMap类通过双向链表来维护元素的插入顺序，可以保持元素的迭代顺序与插入顺序一致。
LinkedHashMap类不保证元素的顺序与键的自然顺序或自定义排序顺序一致。

迭代顺序：

LinkedHashMap类可以按照插入顺序进行迭代，即迭代顺序与元素的插入顺序一致。
如果使用构造函数LinkedHashMap(int initialCapacity)创建LinkedHashMap，迭代顺序将与插入顺序一致。
如果使用构造函数LinkedHashMap(int initialCapacity, float loadFactor, boolean accessOrder)创建LinkedHashMap，并将accessOrder参数设置为true，迭代顺序将根据访问顺序进行调整，即最近访问的元素将排在最后。

TreeMap类

特点：

TreeMap类是基于红黑树实现的，它可以保持键的有序性。
TreeMap中的键必须实现Comparable接口或者在构造TreeMap时提供Comparator比较器来定义键的顺序。
TreeMap类不允许使用null作为键，但允许使用null作为值。

性能：

在TreeMap中，插入、删除和查找元素的时间复杂度为O(logN)，其中N为TreeMap中元素的数量。
TreeMap根据键的顺序进行存储和遍历，所以适用于需要按照键的顺序进行操作的场景。
当需要对键进行排序或按范围进行检索时，TreeMap是一个很好的选择。

Hashtable类

特点：

Hashtable**是线程安全的，即多线程环境下的操作是同步的。**可以通过在多个线程之间共享Hashtable对象来实现线程安全的操作。
Hashtable不**允许使用null作为键或值。**如果尝试插入null键或值，会抛出NullPointerException异常。
Hashtable使用哈希表来存储键值对，通过键的哈希值进行快速查找和插入操作。

性能：

Hashtable中的插入、删除和查找操作的时间复杂度为O(1)，在大多数情况下是常数时间。
由于Hashtable在多线程环境下是线程安全的，因此在并发访问场景下，性能可能受到一定的影响。如果不需要线程安全性，使用Hashtable可能会带来额外的开销。在单线程环境下，推荐使用HashMap来获得更好的性能。

Properties类

特点：

Properties类用于处理属性文件，属性文件是一种简单的文本文件，包含以键值对形式表示的配置信息。
Properties类继承自Hashtable类，因此具有Hashtable的特性，如使用哈希表存储键值对、支持快速查找和插入操作。
Properties类对外提供了一些特殊的方法，以方便加载和存储属性文件的操作。

作用：

可以通过getProperty方法获取特定键对应的值。同时，Properties类也支持将属性数据以XML格式存储和加载，以满足不同的需求。

需要注意的是，Properties类是线程安全的，可以在多线程环境下使用。但在多线程环境下，如果同时对属性文件进行读写操作，可能需要额外的同步措施来确保数据的一致性。

Collection的工具类Collections类

Collections类：

Collections类是Java集合框架提供的一个实用类，包含了一系列静态方法，用于操作和处理集合对象。
Collections类提供了各种算法和方法，用于对集合进行排序、查找、反转、替换等操作。
Collections类中的方法都是静态方法，可以直接通过类名调用，而不需要创建实例。
Collections类还提供了一些方法来创建线程安全的集合，如synchronizedCollection()、synchronizedList()等。

总结：