Java 基础篇--基础知识之集合框架综述-优快云博客

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集合框架综述

一、简介

官方教程: Collections
Java集合框架（Java Collection Framework），又被称为集合容器（Collection Container），是定义在java.util包下的一组接口（Interfaces）和其实现类（Classes）。其主要表现为将多个对象元素置于一个容器中，用于对这些对象元素进行快速、便捷的存储（Store）、检索（Retrieve）和管理（Manipulate）。

Java集合框架的设计是为了满足数据的更多逻辑关系，提供一系列不同于数组的可变的聚合的抽象数据类型。帮助解决了数组使用过程中的各种痛点：

数组在内存存储方面：
1. 数组初始化以后，长度就确定不变；
2. 数组声明的类型，就决定了进行元素初始化时的类型。
数组在存储数据方面：
1. 数组初始化以后，长度就不可变，不便于扩展；
2. 数组中提供的属性和方法少，不便于进行增、删等操作，且效率不高。同时无法直接获取存储元素的个数；
3. 数组存储的数据是有序的、可以重复的，并且存储数据的特点单一；
4. 数组中存储的是同一类型的元素，可以存储基本数据类型值。而集合存储的都是对象，而且对象的类型可以不一致。

二、框架图

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从Java 集合框架图可以了解到一下两点

Java集合框架主要包括两种类型的容器
- 一种是集合（Collection），存储一组元素；
  - List：元素有序，可重复；
  - Set：元素无序，不可重复。
- 一种是图（Map），存储键/值对映射。
Java集合框架上来看，其围绕一组标准接口而设计并提供对外扩展，具有高性能、高效等特点，并允许不同类型的集合，以相似的方式来操作。包括三个部分
- 接口：代表集合的抽象数据类型，如Iterator、Collection、List、Set、Map等；
- 实现（类）：是接口的具体实现，如ArrayList、HashSet、HashMap等；
- 算法：是使用实现集合接口的对象里面的方法执行一些计算，如排序、检索等。
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三、重要接口和实现类

3.1 Collection接口

官方教程：Collection
Collection接口是集合类的根接口，它包含了集合的基本操作和属性。Java中没有提供这个接口的直接的实现类。但是却让其被继承产生了三个主要个接口：List、Set和Queue。

3.1.1 List

List是一个有序（插入顺序）的集合，可以包含重复的元素，提供了按索引访问的方式。List允许null值存在，但仅有一个。
List接口实现主要有以下几种类型：

ArrayList：底层是由数组实现，可以看成是一个动态数组。ArrayList擅长随机访问。但在中间插入、移除元素时代价较高；
在使用中需要注意：在明确所要存储的元素个数的情况下，最好指定初始容量值，避免过多的进行扩容操作而浪费时间、影响效率；
LinkedList：底层由双向链表实现，可以看成是一个双向链表。由于实现方式的不同，LinkedList不能随机访问，它所有操作都要按照双重链表的需要执行，在列表中索引的操作将从开头或结尾遍历，这样在List中间插入和移除元素时代价较低。
Vertor：与ArrayList相似，但Vector是同步的，所以说Vector是现场安全的动态数组；
Stack：继承至Vector，实现了一个先进后出的堆栈。

3.1.2 Set

Set是一个无序的集合，不能包含重复的元素。它和Collection完全一样的接口，没有额外的功能提供。它维护了自己的内部排序（hashCode决定元素的具体位置），所以随机访问并没有任何意义。它同样和List一样，允许null值，但仅有一个。
Set接口实现主要有以下几种类型：

HashSet：无序不重复元素集合，是由HashMap实现的，不保证元素的顺序。HashSet是按Hash算法来存储元素，因此具有良好的存储和查找性能。HashSet的实现是通过一个HashMap存储元素，元素是存放在HashMap的Key中，而Value统一使用一个Onject对象。
LinkedHashSet：继承自HashSet，其底层是基于LinkedHashMap实现的。LinkedHashSet集合同样是根据元素的hashCode值来决定元素的存储位置，但是它同时使用链表维护元素的次序。
TreeSet：有序（采用红黑树存储）不重复实现，查找速度不如HashSet快。TreeSet底层是基于TreeMap实现的。TreeSet支持两种排序方式：自然排序和定制排序，默认是自然排序。

3.1.3 Queue

Queue（队列）是一种较为特殊的线性表，它是典型的先进先出（FIFO）的容器。
新元素插入（offer）到队列的尾部，访问元素（poll）操作会返回队列头部的元素。通常，队列不允许随机访问队列中的元素。
Queue有一个Deque子接口，这是一个双端队列，先元素插入既可以在头部，又可以在尾部，访问元素也是一样，可以在头部，也可以在尾部。
Deque 实现类有 LinkedList、 ArrayDeque、ConcurrentLinkedDeque 等等。

3.2 Map接口

官方教程：Map
Map是java.util包中的另外一个接口，它和Collection接口没有关系，是相互独立的，但是都属于集合类的一部分。
Map数据结构是用于保存具有映射关系的键值对数据（Key, Value），即Map集合保存着两组值，一组用于保存Map里面的key，另一组用于保存Map里面的value，且key和value可以是任何引用类型的数据。
Map中key不可重复，即一个Map对象中的任何两个key通过equals方法比较返回的总数false。key和value是一对一关系，即通过指定的key可以确定唯一与其对应的value。
Map接口的实现有很多，根据特性的不同，效率的高低，保存的形式及多线程方面的考虑，分为了多种实现方式，包括：

HashMap：基于哈希表数据结构的实现，插入和查询键值对的开销是固定的，可以通过构造器设置容量和负载因子。HashMap是为了快速查询而设计的，其内部定义了一个hash表数组（Node<K,V>[] table），元素通过哈希转换函数将元素的哈希地址转换成数组中存放的索引，若出现冲突，则以散列链表的形式将元素串联起来。
LinkedHashMap：是HashMap的一个子类，但是其使用链表维护内部次序（插入次序），因此，在迭代访问时速度快；
TreeMap：基于红黑树的实现，TreeMap存储时会进行排序的，会根据key来对key-value键值对进行排序，其中排序方式也是分为两种：自然排序和定制排序，具体取决于使用的构造方法。其判定key重复的方法并不是equals()方法而是：两个key通过compareTo()方法返回0，则认为这两个key相等。
ConcurrentHashMap：线程安全的Map，不涉及同步加锁；
WeakHashMap：弱键映射，允许释放映射所指向的对象，专为解决特殊问题而设计；
IdentityHashMap：使用==代提equals()对键进行比较的散列映射，专为解决特殊问题而设计。

3.3 Iterator接口

Iterator（迭代器）不是一个集合，它是一种用于访问集合的方法，可用于迭代集合。
迭代器是一种轻量化的对象，创建它的代价非常小，但是也正是因为其创建代价小，而使得其限制多。例如，只能单向移动，使用next()获得序列中的下一个元素，使用hasNext()检查序列中是否还有元素，使用remove()将迭代器新近返回的元素删除。
使用迭代器来遍历集合，是真正的统一了对集合的访问方式，因为它遍历集合的操作与集合底层的结构做到了分离。

3.4 ListIterator接口

ListIterator是一个功能更加强大的迭代器, 它继承于Iterator接口,只能用于各种List类型的访问。可以通过调用listIterator()方法产生一个指向List开始处的ListIterator, 还可以调用listIterator(n)方法创建一个一开始就指向列表索引为n的元素处的ListIterator。

Iterator和ListIterator区别

ListIterator有add()方法，可以向List中添加对象，而Iterator不能
ListIterator和Iterator都有hasNext()和next()方法，可以实现顺序向后遍历，但是ListIterator有hasPrevious()和previous()方法，可以实现逆向（顺序向前）遍历。Iterator就不可以。
ListIterator可以定位当前的索引位置，nextIndex()和previousIndex()可以实现。Iterator没有此功能。
都可实现删除对象，但是ListIterator可以实现对象的修改，set()方法可以实现。Iierator仅能遍历，不能修改。