Java集合类

1、概念

• 数组与集合的区别

  • 数组长度不可变化而且无法保存具有映射关系的数据；集合类用于保存数量不确定的数据，以及保存具有映射关系的数据

  • 数组元素既可以是基本类型的值，也可以是对象；集合只能保存对象

• Java集合类存放于 java.util 包中，是一个用来存放对象的容器

  • 集合只能存放对象

  • 集合存放的是多个对象的引用，对象本身还是放在堆内存中

  • 集合可以存放不同类型，不限数量的数据类型

　　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、Set、Queue（Java5新增的队列），因此Java集合大致也可分成List、Set、Queue、Map四种接口体系，（注意：Map不是Collection的子接口）。

　　其中List代表了有序可重复集合，可直接根据元素的索引来访问；Set代表无序不可重复集合，只能根据元素本身来访问；Queue是队列集合；Map代表的是存储key-value对的集合，可根据元素的key来访问value。

2、架构图

3、集合类的详解

　　3.1、Collection接口

　　　　Collection接口是处理对象集合的根接口，其中定义了很多对元素进行操作的方法，AbstractCollection是提供Collection部分实现的抽象类。　　

　　3.2、Set集合类

　　　　继承自Collection。不能存在相同的对象，无序的，就是数学意义上的集合。具体实现类有HashSet，LinkedHashSet，TreeSet等。

　　　　3.2.1、HashSet

　　　　　　HashSet 底层是使用了哈希表来支持的，特点：存取速度快。往Hashset添加元素的时候，HashSet会先调用元素的hashCode方法得到元素的哈希值，然后通过元素的哈希值经过移位等运算，就可以算出该元素在哈希表中的存储位置。

　　　　3.2.2、LinkedHashSet

　　　　　　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。

　　　　3.2.3、TreeSet

　　　　　　treeSet 底层是以红-黑树的数据结构实现的，默认对元素进行自然排序（String）。 如果在比较的时候两个对象返回值为0，那么元素重复。

　　　　　　自然排序：TreeSet会调用集合元素的compareTo(Object obj)方法来比较元素的大小关系，然后将元素按照升序排列，这就是自然排序。如果试图将一个对象添加到TreeSet集合中，则该对象必须实现Comparable接口，否则会抛出异常。当一个对象调用方法与另一个对象比较时，例如obj1.compareTo(obj2)，如果该方法返回0，则两个对象相等；如果返回一个正数，则obj1大于obj2；如果返回一个负数，则obj1小于obj2。对于TreeSet集合而言，它判断两个对象是否相等的标准是：两个对象通过compareTo(Object obj)方法比较是否返回0，如果返回0则相等。

 　　　　　定制排序：想要实现定制排序，需要在创建TreeSet集合对象时，提供一个Comparator对象与该TreeSet集合关联，由Comparator对象负责集合元素的排序逻辑。

　　综上：自然排序实现的是Comparable接口，定制排序实现的是Comparator接口。（具体代码实现会在后续章节中讲解）

　　　　3.2.4、EnumSet类

　　　　　　EnumSet是一个专为枚举类设计的集合类，不允许添加null值。EnumSet的集合元素也是有序的，它以枚举值在Enum类内的定义顺序来决定集合元素的顺序。

　　　　3.2.5、Set实现类的性能分析

　　　　　　HashSet的性能比TreeSet的性能好（特别是添加，查询元素时），因为TreeSet需要额外的红黑树算法维护元素的次序，如果需要一个保持排序的Set时才用TreeSet，否则应该使用HashSet。

　　　　　　LinkedHashSet是HashSet的子类，由于需要链表维护元素的顺序，所以插入和删除操作比HashSet要慢，但遍历比HashSet快。

　　　　　　EnumSet是所有Set实现类中性能最好的，但它只能 保存同一个枚举类的枚举值作为集合元素。

　　　　　　以上几个Set实现类都是线程不安全的，如果多线程访问，必须手动保证集合的同步性

　　3.3、List集合类

　　　　List接口扩展自Collection，它可以定义一个允许重复的有序集合，从List接口中的方法来看，List接口主要是增加了面向位置的操作，允许在指定位置上操作元素，同时增加了一个能够双向遍历线性表的新列表迭代器ListIterator。AbstractList类提供了List接口的部分实现，AbstractSequentialList扩展自AbstractList，主要是提供对链表的支持。具体实现类有ArrayList，LinkedList，Vector等（已经被废弃，很少使用）。

　　　　3.3.1、ArrayList

　　　　　　最常用的List接口实现类，底层使用可变长度的动态数组实现。ArrayList有一个初始容量(capacity = 10)，当元素数量大于初始容量时进行扩容，新的数组长度 = 旧数组长度 + 旧数组长度 / 2；

　　　　　　因为每个元素都有固定的位置索引，所以根据索引查询元素的速度非常快。如果在中间插入元素时，由于后面的元素全部要后移一位，所以性能会比较差；

　　　　　　由于没有做并发访问控制，所以它是一个非线程安全的集合。允许重复元素或null元素。

　　　　3.3.2、LinkedList

　　　　　　List接口的双向链接的实现类，允许NULL元素。它表现上是一个有序的集合，但内存中其实是无序保存，所以它插入的速度会很快，但是查询一个元素的速度较ArrayList速度慢很多。是一个非线程安全的集合。

　　3.4、Map集合类

　　　　以键值对的形式存放对象。key-value。一般是key为String类型，value为Object的类型。具体实现类有HashMap，LinkedHashMap，TreeMap等。

　　　　3.4.1、HashMap与Hashtable

　　　　　　HashMap与Hashtable是Map接口的两个典型实现，它们之间的关系完全类似于ArrayList与Vertor。HashTable是一个古老的Map实现类，它提供的方法比较繁琐，目前基本不用了。

　　HashMap与Hashtable主要存在以下两个典型区别：

　　　　HashMap是线程不安全，HashTable是线程安全的。

　　　　HashMap可以使用null值最为key或value；Hashtable不允许使用null值作为key和value，如果把null放进HashTable中，将会发生空指针异常。

　　为了成功的在HashMap和Hashtable中存储和获取对象，用作key的对象必须实现hashCode()方法和equals()方法。

　　HashMap工作原理如下：

　　　　HashMap基于hashing原理，通过put()和get()方法存储和获取对象。当我们将键值对传递给put()方法时，它调用建对象的hashCode()方法来计算hashCode值，然后找到bucket位置来储存值对象。当获取对象时，通过建对象的equals()方法找到正确的键值对，然后返回对象。HashMap使用链表来解决碰撞问题，当发生碰撞了，对象将会存储在链表的下一个节点中。

　　　　3.4.2、LinkedHashMap

　　　　　　LinkedHashMap使用双向链表来维护key-value对的次序（其实只需要考虑key的次序即可），该链表负责维护Map的迭代顺序，与插入顺序一致，因此性能比HashMap低，但在迭代访问Map里的全部元素时有较好的性能。

　　　　3.4.3、TreeMap

　　　　　　TreeMap是SortedMap的实现类，是一个红黑树的数据结构，每个key-value对作为红黑树的一个节点。TreeMap存储key-value对时，需要根据key对节点进行排序。TreeMap也有两种排序方式：

　　自然排序：TreeMap的所有key必须实现Comparable接口，而且所有的key应该是同一个类的对象，否则会抛出ClassCastException。

　　定制排序：创建TreeMap时，传入一个Comparator对象，该对象负责对TreeMap中的所有key进行排序。

 　　　　3.4.4、Map实现类的性能分析

　　　　　　HashMap通常比Hashtable（古老的线程安全的集合）要快

　　　　　　TreeMap通常比HashMap、Hashtable要慢，因为TreeMap底层采用红黑树来管理key-value。

　　　　　　LinkedHashMap比HashMap慢一点，因为它需要维护链表来爆出key-value的插入顺序。

　　3.5、迭代器Iterator

　　　　3.5.1、概念

　　　　迭代器（Iterator）是一种设计模式、提供了一种方法，来对集合、容器进行遍历的方式，不需要关注底层数据结构和数据类型，来达到底层和上层遍历解耦的目的

　　　　3.5.2、迭代器方法

　　　　boolean hasNext() ：判断集合是否还有元素； true表示还存在元素 ，false表示不存在元素

　　　　E next()：返回当前数据

　　　　void remove()：删除元素

　　3.6、ListIterator接口

　　　　ListIterator接口继承Iterator接口，提供了专门操作List的方法。ListIterator接口在Iterator接口的基础上增加了以下几个方法：

　　　　boolean hasPrevious()：判断集合里是否存在上一个元素。如果有，该方法返回 true。
　　　　Object previous()：返回集合里上一个元素。
　　　　void add(Object o)：在指定位置插入一个元素。