Java集合框架

前言

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面向对象语言对事物的体现都是以对象的形式，为了方便对多个对象的操作，就要对对象进行存储。另一方面，使用Array存储对象方面具有一些弊端，而Java 集合就像一种容器，可以动态地把多个对象的引用放入容器中

引出

数组在内存存储方面的特点:

• 数组初始化之后,长度就确定了(无法再次改变长度)
• 数组声明的类型,就决定了进行元素初始化的类型

数组在存储数据方面的弊端

• 数组初始化之后长度不可变,不便于扩展
• 数组中提供的属性和方法较少,不便于进行增删改等操作,且效率低,同时无法直接获取存储元素的个数
• 数组存储的数据是有序的,可以重复的—>存储数据的特点 单一

Java集合系统架构

Java集合类主要由两个根接口Collection和Map派生出来的

Collection派生出了三个子接口：

List

• List接口为Collection子接口。List所代表的是有序的Collection
• 它用某种特定的插入顺序来维护元素顺序。用户可以对列表中每个元素的插入位置进行精确地控制，同时可以根据元素的整数索引（在列表中的位置，和数组相似，从0开始，到元素个数-1）访问元素，并检索列表中的元素，由于这些特性，List在Collection的基础上扩展了一些重要方法：

Set

• Set是一种不包括重复元素的Collection。它维持自己的内部排序，所以随机访问没有任何意义。与List一样，它同样允许null的存在但是仅有一个
• 由于Set接口的特殊性，所有传入Set集合中的元素都必须不同，同时要注意任何可变对象，如果在对集合中元素进行操作时，导致e1.equals(e2)==true，则必定会产生某些问题。

Queue

• 队列是一种先进先出的数据结构，元素在队列末尾添加，在队列头部删除。Queue接口扩展自Collection，并提供插入、提取、检验等操作
• 方法offer表示向队列添加一个元素，poll()与remove()方法都是移除队列头部的元素，两者的区别在于如果队列为空，那么poll()返回的是null，而remove()会抛出一个异常。方法element()与peek()主要是获取头部元素，不删除
• 接口Deque，是一个扩展自Queue的双端队列，它支持在两端插入和删除元素，因为LinkedList类实现了Deque接口，所以通常我们可以使用LinkedList来创建一个队列。PriorityQueue类实现了一个优先队列，优先队列中元素被赋予优先级，拥有高优先级的先被删除

Map接口派生： Map代表的是存储key-value对的集合，可根据元素的key来访问value。

因此Java集合大致也可分成List、Set、Queue、Map四种接口体系。

Collection接口

• Collection 接口是 List、Set 和 Queue 接口的父接口，该接口里定义的方法既可用于操作 Set 集合，也可用于操作 List 和 Queue 集合。
• JDK不提供此接口的任何直接实现，而是提供更具体的子接口(如：Set和List)实现。
• 在 Java5 之前，Java 集合会丢失容器中所有对象的数据类型，把所有对象都当成 Object 类型处理；从 JDK 5.0 增加了泛型以后，Java 集合可以记住容器中对象的数据类型。
• 在Java中所有实现了Collection接口的类都应该提供两套标准的构造函数，一个是无参，用于创建一个空的Collection，一个是带有Collection参数的有参构造函数，用于创建一个新的Collection，这个新的Collection与传入进来的Collection具备相同的元素

Collection重要方法

Collection接口为集合提供一些统一的访问接口（泛型接口），覆盖了向集合中添加元素、删除元素、以及协助对集合进行遍历访问的相关方法：

结论:集合的contains方法和remove[removeAll]方法中是使用equals方法判断两个对象是否一致的 进一步推论: 集合中凡需要进行对象的比较时,都用对象的equals方法判断

Collection的遍历

package top.serms.demo21;

import java.util.*;
import java.util.function.Consumer;
import java.util.stream.Collectors;

/**
 * <p>
 * </p>
 *
 * @Author SerMs
 * @Email 1839928782@qq.com
 * @Date 2022/7/26 10:15
 */
public class Demo3Collection {
    public static void main(String[] args) {
        //Collection -> Array
        Collection<String> c = new HashSet<>();     //HashSet重写了toString所以能直接打印输出
        System.out.println(c);
        String[] ss = {"aa", "bb", "11", "33"};
        System.out.println("ss = " + Arrays.toString(ss));
        Collections.addAll(c, ss);
        System.out.println("数组转集合: " + c);

        System.out.println("遍历一 增强for(forEach循环)");
        for (String s : c) {
            System.out.print(s + " ");
        }
        System.out.println();

        System.out.println("遍历二 stream流中得forEach");
        c.stream().forEach(System.out::printf);
        System.out.println();

        System.out.println("遍历三 迭代器");
        Iterator<String> i = c.iterator();
        while (i.hasNext()) {
            System.out.print(i.next());
        }

        System.out.println("遍历四 自带得增强for");
        c.forEach(new Consumer<String>() {
            @Override
            public void accept(String s) {
                System.out.println(s);
            }
        });

    }
}

输出结果为:

[]
ss = [aa, bb, 11, 33]
数组转集合: [aa, bb, 11, 33]
遍历一 增强for(forEach循环)
aa bb 11 33 
遍历二 stream流中得forEach
aabb1133
遍历三 迭代器
aabb1133
遍历四 自带得增强for
aa
bb
11
33

进程已结束,退出代码0

List集合

List代表了有序可重复集合，可直接根据元素的索引来访问。

List接口常用的实现类有：ArrayList、LinkedList、Vector。

常用方法 方法 功能 void add(int index, E element) 在列表的指定位置插入指定元素 E get(int index) 返回列表中指定位置的元素 E remove(int index) 移除列表中指定位置的元素 List subList(int fromIndex, int toIndex) 返回列表中指定的fromIndex（包括）和toIndex（不包括）之间的部分视图,返回类型不要进行任何操作 E set(int index, E element) 设置索引index位置的元素 int indexOf(Object o) 从头查找元素，返回索引，没找到返回-1 int lastIndexOf(Object o) 从后面往前面查找 void sort(Comparator<? super E> c) 排序(升序，降序，乱序) 由于列表有序并存在索引，因此除了增强for循环进行遍历外，还可以使用普通的for循环进行遍历 List集合特点

• 集合中的元素允许重复
• 集合中的元素是有顺序的，各元素插入的顺序就是各元素的顺序
• 集合中的元素可以通过索引来访问或者设置

ArrayList

ArrayList是一个动态数组，也是我们最常用的集合，是List类的典型实现。 它允许任何符合规则的元素插入甚至包括null，每一个ArrayList都有一个初始容量（10），该容量代表了数组的大小。 随着容器中的元素不断增加，容器的大小也会随着增加，在每次向容器中增加元素的同时都会进行容量检查，当快溢出时，就会进行扩容操作。 所以如果我们明确所插入元素的多少，最好指定一个初始容量值，避免过多的进行扩容操作而浪费时间、效率。 ArrayList擅长于随机访问，同时ArrayList是非同步的,是一个非线程安全的列表 ArrayList的默认扩容扩展后数组大小为：(原数组长度*3)/2+1 ArrayList的JDK1.8之前与之后的实现区别？

• **JDK1.7：**ArrayList像饿汉式，直接创建一个初始容量为10的数组
• **JDK1.8：**ArrayList像懒汉式，一开始创建一个长度为0的数组，当添加第一个元素时再创建一个始容量为10的数组

LinkedList

LinkedList：双向链表，内部没有声明数组，而是定义了Node类型的first和last，用于记录首末元素。LinkedList还实现了Deque接口，可以当作双端队列来使用，也就是说，既可以当作“栈”使用，又可以当作队列使用。

同时，定义内部类Node，作为LinkedList中保存数据的基本结构。Node除了保存数据，还定义了两个变量：

prev变量记录前一个元素的位置 next变量记录下一个元素的位置 对于频繁的插入或删除元素的操作，建议使用LinkedList类，效率较高

• 同样实现List接口的LinkedList与ArrayList不同，LinkedList是一个双向链表。所以它除了有ArrayList的基本操作方法外还额外提供了get，remove，insert方法在LinkedList的首部或尾部
• 由于实现的方式不同，LinkedList不能随机访问，它所有的操作都是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列表（从靠近指定索引的一端）。这样做的好处就是可以通过较低的代价在List中进行插入和删除操作
• 与ArrayList一样，LinkedList也是非同步的。如果多个线程同时访问一个List，则必须自己实现访问同步

LinkedList的源码分析： LinkedList list = new LinkedList(); 内部声明了Node类型的first和last属性，默认值为null list.add(123);//将123封装到Node中，创建了Node对象。 其中，Node定义为：体现了LinkedList的双向链表的说法

private static class Node<E> {
    E item;
    Node<E> next;
    Node<E> prev;
    Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
        this.item = element;
        this.next = next;
        this.prev = prev;
    }
}

Vector

Vector 是一个古老的集合，JDK1.0就有了。大多数操作与ArrayList相同，区别之处在于Vector是线程安全的。 在各种list中，最好把ArrayList作为缺省选择。当插入、删除频繁时，使用LinkedList；Vector总是比ArrayList慢，所以尽量避免使用。

Stack

• Stack继承自Vector，实现一个后进先出的堆栈
• Stack提供5个额外的方法使得Vector得以被当作堆栈使用。基本的push和pop 方法，还有peek方法得到栈顶的元素，empty方法测试堆栈是否为空，search方法检测一个元素在堆栈中的位置
• Stack刚创建后是空栈

Java List总结

ArrayList 优点: 底层数据结构是数组，查询快，增删慢。 缺点: 线程不安全，效率高 Vector 优点: 底层数据结构是数组，查询快，增删慢。 缺点: 线程安全，效率低 LinkedList 优点: 底层数据结构是链表，查询慢，增删快。 缺点: 线程不安全，效率高

Set集合

• EnumSet：
  • 是枚举的专用Set。所有的元素都是枚举类型
• HashSet:
  • HashSet堪称查询速度最快的集合，因为其内部是以HashCode来实现的。它内部元素的顺序是由哈希码来决定的，所以它不保证set的迭代顺序；特别是它不保证该顺序恒久不变
• TreeSet:
  • 基于TreeMap，生成一个总是处于排序状态的set，内部以TreeMap来实现。它是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 PS: 自然顺序 -> 元素实现了java.lang.Comparable

HashSet

HashSet是Set集合最常用实现类，是其经典实现。

HashSet底层数据结构采用哈希表实现，元素无序且唯一，线程不安全，效率高，可以存储null元素，元素的唯一性是靠所存储元素类型是否重写hashCode()和equals()方法来保证的，如果没有重写这两个方法，则无法保证元素的唯一性。

LinkedHashSet

底层数据结构采用链表和哈希表共同实现，链表保证了元素的顺序与存储顺序一致，哈希表保证了元素的唯一性。

TreeSet

底层数据结构采用二叉树来实现，元素唯一且已经排好序,唯一性同样需要重写hashCode和equals()方法，二叉树结构保证了元素的有序性。

Java Set总结

HashSet 底层其实是包装了一个HashMap实现的 底层数据结构是数组+链表 + 红黑树 具有比较好的读取和查找性能， 可以有null 值 通过equals和HashCode来判断两个元素是否相等 非线程安全 HashSet 具有以下特点：

• 不能保证元素的排列顺序
• HashSet 不是线程安全的
• 集合元素可以是 null

LinkedHashSet 继承HashSet，本质是LinkedHashMap实现 底层数据结构由哈希表(是一个元素为链表的数组)和双向链表组成。 有序的，根据HashCode的值来决定元素的存储位置，同时使用一个链表来维护元素的插入顺序 非线程安全，可以有null 值 LinkedHashSet 是 HashSet 的子类 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插入顺序保存的。 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。 LinkedHashSet 不允许集合元素重复。 优点：对于频繁的遍历操作，LinkedHashSet效率高于HashSet TreeSet 是一种排序的Set集合，实现了SortedSet接口，底层是用TreeMap实现的，本质上是一个红黑树原理 排序分两种：自然排序（存储元素实现Comparable接口）和定制排序（创建TreeSet时，传递一个自己实现的Comparator对象） 正常情况下不能有null值，可以重写Comparable接口 局可以有null值了。

Map的常用实现类

Map用于保存具有映射关系的数据，Map里保存着两组数据：key和value，它们都可以使任何引用类型的数据，但key不能重复。

Map与Collection并列存在。用于保存具有映射关系的数据:key-value Map 中的 key 和 value 都可以是任何引用类型的数据 Map 中的 key 用Set来存放，不允许重复，即同一个 Map 对象所对应的类，须重写hashCode()和equals()方法 常用String类作为Map的“键” key 和 value 之间存在单向一对一关系，即通过指定的 key 总能找到唯一的、确定的 value Map接口的常用实现类：HashMap、TreeMap、LinkedHashMap和Properties。其中，HashMap是 Map 接口使用频率最高的实现类

HashMap

• HashMap是基于哈希表的Map接口的非同步实现，继承自AbstractMap，AbstractMap是部分实现Map接口的抽象类
• 在之前的版本中，HashMap采用数组+链表实现，即使用链表处理冲突，同一hash值的链表都存储在一个链表里（和我们在之前自行实现的哈希表相同）。但是当链表中的元素较多，即hash值相等的元素较多时，通过key值依次查找的效率较低。而JDK1.8中，HashMap采用数组+链表+红黑树（一种平衡搜索二叉树）实现，当链表长度超过阈值（8）时，将链表转换为红黑树，这样大大减少了查找时间
• 和Vector类似，Map体系也有一个自JDK1.2之前遗留的集合工具：Hashtable，它的操作接口和HashMap相同，和HashMap的区别在于：Hashtable是线程安全的，而HashMap是非线程安全的
• 重要常量 DEFAULT_INITIAL_CAPACITY : HashMap的默认容量，16 MAXIMUM_CAPACITY ： HashMap的最大支持容量，2^30 DEFAULT_LOAD_FACTOR：HashMap的默认加载因子 TREEIFY_THRESHOLD：Bucket中链表长度大于该默认值，转化为红黑树 UNTREEIFY_THRESHOLD：Bucket中红黑树存储的Node小于该默认值，转化为链表 MIN_TREEIFY_CAPACITY：桶中的Node被树化时最小的hash表容量。（当桶中Node的数量大到需要变红黑树时，若hash表容量小于MIN_TREEIFY_CAPACITY时，此时应执行resize扩容操作这个MIN_TREEIFY_CAPACITY的值至少是TREEIFY_THRESHOLD的4倍。） table：存储元素的数组，总是2的n次幂 entrySet：存储具体元素的集 size：HashMap中存储的键值对的数量 modCount：HashMap扩容和结构改变的次数。 threshold：扩容的临界值，=容量*填充因子 loadFactor：填充因子

HashMap在JDK1.7和JDK1.8中的对比

总结：JDK1.8相变化： HashMap map = new HashMap();//默认情况下，先不创建长度为16的数组 当首次调用map.put()时，再创建长度为16的数组 数组为Node类型，在jdk7中称为Entry类型 形成链表结构时，新添加的key-value对在链表的尾部（七上八下） 当数组指定索引位置的链表长度>8时，且map中的数组的长度> 64时，此索引位置上的所有key-value对使用红黑树进行存储。

LinkedHashMap

• LinkedHashMap继承自HashMap，它主要是用链表实现来扩展HashMap类，HashMap中条目是没有顺序的，但是在LinkedHashMap中元素既可以按照它们插入的顺序排序，也可以按它们最后一次被访问的顺序排序

TreeMap

• TreeMap基于红黑树数据结构的实现，键值可以使用Comparable或Comparator接口来排序。TreeMap继承自AbstractMap，同时实现了接口NavigableMap，而接口NavigableMap则继承自SortedMap。SortedMap是Map的子接口，使用它可以确保图中的条目是排好序的
• 在实际使用中，如果更新Map时不需要保持图中元素的顺序，就使用HashMap，如果需要保持Map中元素的插入顺序或者访问顺序，就使用LinkedHashMap，如果需要使图按照键值排序，就使用TreeMap

WeakHashMap

• WeakHashMap实现了Map接口，是HashMap的一种实现，他使用弱引用作为内部数据的存储方案，WeakHashMap可以作为简单缓存表的解决方案，当系统内存不够的时候，垃圾收集器会自动的清除没有在其他任何地方被引用（不具备任何强引用、软引用）的键值对
• 需要注意，WeakHashMap是主要通过expungeStaleEntries这个方法的来实现引用清除的。基本上只要对WeakHashMap的内容进行访问就会调用这个函数，从而达到清除其内部不在为外部引用的条目。但是如果预先生成了WeakHashMap，而在GC以前又不曾访问该WeakHashMap,那就不能释放内存了

Properties

• Properties 类是 Hashtable 的子类，该对象用于处理属性文件
• 由于属性文件里的 key、value 都是字符串类型，所以 Properties 里的 key 和 value 都是字符串类型
• 存取数据时，建议使用setProperty(String key,String value)方法和getProperty(String key)方法

HashMap、HashTable、TreeMap的区别总结

TreeMap：基于红黑树实现。 HashMap：基于哈希表实现。 HashTable：和 HashMap 类似，但它是线程安全的，这意味着同一时刻多个线程可以同时写入HashTable 并且不会导致数据不一致。它是遗留类，不应该去使用它。现在可以使用 ConcurrentHashMap 来支持线程安全，并且 ConcurrentHashMap 的效率会更高，因为ConcurrentHashMap 引入了分段锁。 LinkedHashMap：使用双向链表来维护元素的顺序，顺序为插入顺序或者最近最少使用（LRU）顺序。

一，强引用 Object obj = new Object(); //只要obj还指向Object对象，Object对象就不会被回收 obj = null; //手动置null 只要强引用存在，垃圾回收器将永远不会回收被引用的对象，哪怕内存不足时，JVM也会直接抛出OutOfMemoryError，不会去回收。如果想中断强引用与对象之间的联系，可以显示的将强引用赋值为null，这样一来，JVM就可以适时的回收对象了 二，软引用 软引用是用来描述一些非必需但仍有用的对象。在内存足够的时候，软引用对象不会被回收，只有在内存不足时，系统则会回收软引用对象，如果回收了软引用对象之后仍然没有足够的内存，才会抛出内存溢出异常。这种特性常常被用来实现缓存技术，比如网页缓存，图片缓存等。 在 JDK1.2 之后，用java.lang.ref.SoftReference类来表示软引用。 三，弱引用 弱引用的引用强度比软引用要更弱一些，无论内存是否足够，只要 JVM 开始进行垃圾回收，那些被弱引用关联的对象都会被回收。在 JDK1.2 之后，用 java.lang.ref.WeakReference 来表示弱引用。 四，虚引用 虚引用是最弱的一种引用关系，如果一个对象仅持有虚引用，那么它就和没有任何引用一样，它随时可能会被回收，在 JDK1.2 之后，用 PhantomReference 类来表示，通过查看这个类的源码，发现它只有一个构造函数和一个 get() 方法，而且它的 get() 方法仅仅是返回一个null，也就是说将永远无法通过虚引用来获取对象，虚引用必须要和 ReferenceQueue 引用队列一起使用。

Collections工具类

（操作数组的工具类：Arrays） Collections 是一个操作 Set、List 和 Map 等集合的工具类 Collections 中提供了一系列静态的方法对集合元素进行排序、查询和修改等操作，还提供了对集合对象设置不可变、对集合对象实现同步控制等方法

Collection 和 Collections的区别

• Collections是个java.util下的类，是针对集合类的一个工具类,提供一系列静态方法,实现对集合的查找、排序、替换、线程安全化（将非同步的集合转换成同步的）等操作。
• Collection是个java.util下的接口，它是各种集合结构的父接口，继承于它的接口主要有Set和List,提供了关于集合的一些操作,如插入、删除、判断一个元素是否其成员、遍历等。

Collections常用方法 排序操作：（均为static方法） reverse(List)：反转 List 中元素的顺序 shuffle(List)：对 List 集合元素进行随机排序 sort(List)：根据元素的自然顺序对指定 List 集合元素按升序排序 sort(List，Comparator)：根据指定的 Comparator 产生的顺序对 List 集合元素进行排序 swap(List，int， int)：将指定 list 集合中的 i 处元素和 j 处元素进行交换 查找、替换 Object max(Collection)：根据元素的自然顺序，返回给定集合中的最大元素 Object max(Collection，Comparator)：根据 Comparator 指定的顺序，返回给定集合中的最大元素 Object min(Collection) Object min(Collection，Comparator) int frequency(Collection，Object)：返回指定集合中指定元素的出现次数 void copy(List dest,List src)：将src中的内容复制到dest中 boolean replaceAll(List list，Object oldVal，Object newVal)：使用新值替换List 对象的所有旧值