Java的集合框架(Collection)

简介

Collection是层次结构中的根接口。Collection 表示一组对象，这些对象也称为 collection 的元素。一些 collection 允许有重复的元素，而另一些则不允许。一些 collection 是有序的，而另一些则是无序的。JDK 不提供此接口的任何直接 实现：它提供更具体的子接口（如 Set 和 List）实现。此接口通常用来传递 collection，并在需要最大普遍性的地方操作这些 collection。
自从JDK1.2以来，Collection接口的定义源码如下：

//继承自Iterable为实现类提供可以使用加强遍历的方法，并定义实现类必须重写以下方法
public interface Collection<E> extends Iterable<E> {
//以下为常用方法
int size();//获取大小
boolean isEmpty();//判断是否为空
boolean contains(Object o);//判断是否包含
Iterator<E> iterator();//提供加强遍历方法
Object[] toArray();//转化为数组
<T> T[] toArray(T[] a);
boolean add(E e);//增加元素
boolean remove(Object o);//移除元素
boolean containsAll(Collection<?> c);//是否包含另一个集合
boolean addAll(Collection<? extends E> c);
boolean removeAll(Collection<?> c);
default boolean removeIf(Predicate<? super E> filter) {//过滤器
        Objects.requireNonNull(filter);
        boolean removed = false;
        final Iterator<E> each = iterator();
        while (each.hasNext()) {
            if (filter.test(each.next())) {
                each.remove();
                removed = true;
            }
        }
        return removed;
    }
boolean retainAll(Collection<?> c);//保持集合
void clear();//清空
boolean equals(Object o);//比较
int hashCode();
@Override
    default Spliterator<E> spliterator() {
        return Spliterators.spliterator(this, 0);
    }

default Stream<E> stream() {
        return StreamSupport.stream(spliterator(), false);
    }
default Stream<E> parallelStream() {
        return StreamSupport.stream(spliterator(), true);
    }
}

正文

先来看一张图，我大概整理了一下collection下的所有常用的实现接口和类

1.List

Java中的List是非常常用的数据类型。List是有序的Collection。Java一共三个实现类：ArrayList,LinkedList,Vector

<1.1>ArrayList（线性表）

ArrayList是最常用的List实现类，内部维护了一个可以动态扩容的数组。它允许对元素的快速随机访问(支持下标检索)。由于数组在内存中是连续的，当数组容量不能满足要求时，需要将数组复制到另一个更大的数组（动态扩容就是基于此原理）,会造成很大的资源浪费。当ArrayList在插入或者删除元素的时候，几乎都需要大范围的复制、移动，代价昂贵。

小知识：
在java中，byte=1byte，short=2byte，int=4byte，long=8byte，float=4byte，double=byte，boolean=1byte，
--------------char=2byte=一个汉字

ArrayList总结
1.ArrayList排列有序，可重复；
2.底层使用数组实现；
3.查找和修改速度快，增删速度慢且代价昂贵；
4.线程不安全；
5.当容量不足时，扩容至当前容量*1.5+1；

<1.2>LinkedList（链表）

LinkedList使用链表存储数据，很适合动态的增删操作，随机访问和遍历速度慢；另外它还提供了List接口中没有定义的方法，利用头尾指针专门用于操作表头和表尾，可当作堆，栈，队列使用；
LinkedList总结
1.LinkedList排列有序，可重复；
2.底层使用双向循环链表的数据结构；
3.查询修改速度满，增删速度快；
4.线程不安全；

<1.3>Vector （同步线性表）

Vector和ArrayList大致相同，唯一不同的是他支持线程的同步，因为它所有的实现方法上都带有synchronized关键字来保证线程安全，但实现同步需要花费很高的代价，因此他的访问速度慢；
总结Vector
1.排列有序，可重复
2.底层使用数组，查找快，增删慢；
3.线程安全但效率低；

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2.Set

一个不包含重复元素的 collection。更确切地讲，set 不包含满足 e1.equals(e2) 的元素对 e1 和 e2，并且最多包含一个 null 元素。正如其名称所暗示的，此接口模仿了数学上的 set 抽象。

<2.1>HashSet（哈希表）

HashSet存储元素的顺序并不是按存入的顺序(和List)不同，而是按照hash值来存取的。元素的hash值通过hashcode方法来获取，HashSet首先判断两个元素的hashcode值是否相同，如果相同接着使用equals方法进行比较，如果为ture则表示两个元素相同；所以要是两个元素不同，必须重写hashcode和equals方法；
总结
1.底层由HashMap实现；
2.排列无序且不可重复；
3.存取速度快

<2.2>TreeSet（二叉树）

TreeSet基于 TreeMap 的 NavigableSet 实现。使用元素的自然顺序对元素进行排序，或者根据创建 set 时提供的 Comparator 进行排序，具体取决于使用的构造方法。 此实现为基本操作（add、remove 和 contains）提供受保证的 log(n) 时间开销。
总结
1.TreeSet是使用二叉树的原理对对象按照指定的顺序进行排序(升序、降序)，每增加一个对象都会进行排序，将对象插入到指定的位置（AVL平衡树）
2.Integer和String类型都可以机型默认的TreeSet排序，而自定义对象必须继承Compareable接口并复写compareTo方法才可以正常使用；
3.比较此对象与指定对象的顺序。如果大于、等于或小于指定对象，compareTo方法返回正数，0，负数；

<2.3>LinkedHashSet（HashSet+LinkedHashMap）

具有可预知迭代顺序的 Set 接口的哈希表和链接列表实现。此实现与 HashSet 的不同之外在于，后者维护着一个运行于所有条目的双重链接列表。此链接列表定义了迭代顺序，即按照将元素插入到 set 中的顺序（插入顺序）进行迭代。注意，插入顺序不 受在 set 中重新插入的元素的影响；
对于 LinkedHashSet 而言，它继承与 HashSet、又基于 LinkedHashMap 来实现的。
LinkedHashSet 底层使用 LinkedHashMap 来保存所有元素，它继承与 HashSet，其所有的方法
操作上又与 HashSet 相同，因此 LinkedHashSet 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 的操作相同，直接调用父类 HashSet 的方法即可。
总结
1.LinkedHashSet基于HashSet，底层是由LinkedHashMap(其基于HashMap)实现；
2.线程不安全；

3.Map

Map实质上是一个键值对<K,V>的映射，一个映射不能包含重复的键，每个键最多只能映射一个值；Map 接口提供三种collection 视图（注意：只是有视图关系，保证可以有方法遍历，但是Map并没有继承Collection接口） ，允许以键集、值集或键-值映射关系集的形式查看某个映射的内容。映射顺序 定义为迭代器在映射的 collection 视图上返回其元素的顺序。某些映射实现可明确保证其顺序，如 TreeMap 类；另一些映射实现则不保证顺序，如 HashMap 类。

< 3.1>HashMap（数组+链表+红黑树）

HashMap 根据键的 hashCode 值存储数据，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，可以用 Collections 的 synchronizedMap 方法使
HashMap 具有线程安全的能力，或者使用 ConcurrentHashMap。
我们用下面这张图来介绍HashMap 的结构：

（在JDK1.8之后，HashMap的底层是由一个数组和红黑树或者链表组成，当某一点的边表长度大于8的时候就会自动转化为红黑树，当小于6的时候会自动转化成链表)
因为红黑树的平均查找长度是log(n)，长度为8，查找长度为log(8)=3，链表的平均查找长度为n/2，当长度为8时，平均查找长度为8/2=4，这才有转换成树的必要；链表长度如果是小于等于6，6/2=3，虽然速度也很快的，但是转化为树结构和生成树的时间并不会太短。

总结
1.HashMap底层是由桶+红黑树/链表组成；
2.HashMap允许键=null或值=null；
3.HashMap线程不安全；
4.HashMap支持序列化；
5.不包含contains()方法；

< 3.2>HashTable

此类实现一个哈希表，该哈希表将键映射到相应的值。任何非 null 对象都可以用作键或值。
为了成功地在哈希表中存储和获取对象，用作键的对象必须实现 hashCode 方法和 equals 方法;
它承自 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。
总结
1.HashTable继承自Dictionary；
2.HashTable不允许键=null或值=null；
3.HashTable线程安全；
4.包含contains()方法；

< 3.3>TreeMap

TreeMap 实现 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序，
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 传入自定义的Comparator，否则会在运行时抛出 java.lang.ClassCastException 类型的异常。
总结
1.键不可重复，值可重复；
2.底层为红黑树；