跟着刚哥梳理java知识点——集合（十二）

Java集合分为Collection和Map两种体系

一、Collection接口：

Collections接口为我们提供了以下方法：

size()：返回集合中元素的个数
add(Object obj)：向集合中添加一个元素
addAll(Collection coll)：向集合中添加一个集合
isEmpty()：判断集合是否为空
clear()：清空集合元素
contains(Object obj)：判断集合中是否包含指定的obj元素，如果包含true（判断依据：看元素的equals方法）
containsAll(Collection coll)：判断集合是否包含指定的集合。
retainAll(Collection coll)：求两个集合的交集，然后交集返回给调用者
remove(Object obj)：删除集合中obj对象
removeAll(Collection coll)：从当期集合中删除另一个集合内的所有元素
equals(Object obj)：判断集合中元素的所有元素是否相同
hashcode()：返回hash值
toArray()：将集合转化成数组
iterator：返回一个Iterator接口实现类的对象

Collections的集合遍历方法：

　　①：iterator

Iterator i = coll.iterator();
　　while(i.hasNext()){
　　　　system.out.print(i.next());
}

　　②增强for循环

for(Object o : Collection){
　　//此处的o是新定义的局部变量，其值得修改不会对本身造成影响
}

Conllection接口有两个接口：　　

1、List：元素有序，可重复的结合

void add(int index,Object ele) : 重载了add方法，多了索引的概念。
addAll(int index,Object ele) ：重载了addAll方法，多了索引的概念。
Object get(int index) ： 根据索引获取元素
Object set(int index,Object ele)：设置指定索引位置的元素
int indexOf(Object obj)：根据元素获取索引
Object remove(int index)：删除指定索引的元素
List subList(int fromIndex,index toIndex)：返回从区别的一个子List

 ①ArrayList

　　1）ArrayList实际底层实现就是一个动态数组 Object[]，。当我们构造ArrayList时；若使用默认构造函数，则ArrayList的默认容量大小是10。

    /**
     * 实例化一个ArrayList其实就是声明一个数组
     */
    private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
　　 /**
     * 默认的ArrayList的容量大小
     */
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

　　2）当ArrayList容量不足以容纳全部元素时，ArrayList会重新设置容量：新的容量 = 原始容量 + (原始容量 >> 1)。

private void grow(int minCapacity) {
        // overflow-conscious code
        int oldCapacity = elementData.length;
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
        // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }

　　　　当我们往ArrayList添加元素的时候，源码的操作步骤：

　　　　　　① 如果是第一次添加，则生成一个默认长度为10的数组，然后添加进这个元素。

　　　　　　② 如果非第一次添加，则需要判断添加后的长度是否够现在能够存储的长度，如果够存储那么直接存储就好了，

　　　　　　　 如果不够，则需要把现在的长度扩容，扩容后把原来的数组全部克隆过去，然后在把添加的元素添加。

　　3）ArrayList三种遍历方法

　　　　① 第一种，通过迭代器遍历。即通过Iterator去遍历。

　　　　Integer value = null;
　　　　Iterator iter = list.iterator();
　　　　while (iter.hasNext()) {
    　　　　value = (Integer)iter.next();
　　　　}

　　　　② 第二种，随机访问，通过索引值去遍历。

　　　　Integer value = null;
　　　　int size = list.size();
　　　　for (int i=0; i<size; i++) {
    　　　　value = (Integer)list.get(i);        
　　　　}

　　　　③  第三种，for增强循环遍历

　　　　Integer value = null;
　　　　for (Integer integ:list) {
    　　　　value = integ;
　　　　}

　　遍历ArrayList时，使用随机访问(即，通过索引序号访问)效率最高，而使用迭代器的效率最低！

　　4）ArrayList 实现java.io.Serializable接口，这意味着ArrayList支持序列化，能通过序列化去传输。

 ② LinkedList

　　LinkedList和ArrayList一样实现了List接口，但是它执行插入和删除操作时比ArrayList更加高效，因为它是基于双向链表的。但也决定了它在随机访问方面要比ArrayList逊色。

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;
        }
    }

transient int size = 0;//元素数量
transient Node<E> first;//前节点
transient Node<E> last;//后节点

/**
     * Links e as first element.
     */
private void linkFirst(E e) {
        final Node<E> f = first;
        final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
        first = newNode;
        if (f == null)
            last = newNode;
        else
            f.prev = newNode;
        size++;
        modCount++;
    }

    /**
     * Links e as last element.
     */
    void linkLast(E e) {
        final Node<E> l = last;
        final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
        last = newNode;
        if (l == null)
            first = newNode;
        else
            l.next = newNode;
        size++;
        modCount++;
    }

    /**
     * Inserts element e before non-null Node succ.
     */
    void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
        // assert succ != null;
        final Node<E> pred = succ.prev;
        final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
        succ.prev = newNode;
        if (pred == null)
            first = newNode;
        else
            pred.next = newNode;
        size++;
        modCount++;
    }

add方法：

public boolean add(E e) {
        linkLast(e);
        return true;
    }

2、Set接口：元素无序、不可重复的集合

 1）HashSet概述：

　　HashSet实现Set接口，由哈希表（实际上是一个HashMap实例）支持。它不保证set 的迭代顺序；特别是它不保证该顺序恒久不变。此类允许使用null元素。HashSet中不允许有重复元素，这是因为HashSet是基于HashMap实现的，HashSet中的元素都存放在HashMap的key上面，而value中的值都是统一的一个private static final Object PRESENT = new Object();。HashSet跟HashMap一样，都是一个存放链表的数组。

    //给HashMap中用的value
    private static final Object PRESENT = new Object();

    //HashSet底层使用的HashMap实现
    public HashSet() {
        map = new HashMap<>();
    }

　　HashSet中add方法调用的是底层HashMap中的put()方法，而如果是在HashMap中调用put，首先会判断key是否存在，如果key存在则修改value值，如果key不存在这插入这个key-value。而在set中，因为value值没有用，也就不存在修改value值的说法，因此往HashSet中添加元素，首先判断元素（也就是key）是否存在，如果不存在这插入，如果存在着不插入，这样HashSet中就不存在重复值。

　　public boolean add(E e) {
        return map.put(e, PRESENT)==null;
    }

      对于HashSet而言，它是基于HashMap实现的，HashSet底层使用HashMap来保存所有元素，更确切的说，HashSet中的元素，只是存放在了底层HashMap的key上， 而value使用一个static final的Object对象标识。因此HashSet 的实现比较简单，相关HashSet的操作，基本上都是直接调用底层HashMap的相关方法来完成。

HashSet保证元素唯一性的原理——hashCode方法和equals方法

总结：

　　① 基本数据
　　　　　　由于基本类型都重写了equals和hashcode方法，所以set添加基本类型能够保证不可重复
　　② 引用类型
　　　　　　在引用类型中，String也重写了equles的方法，所以没问题
　　　　　　set.add(new String("123")); //true
　　　　　　set.add(new String("123"));//false 添加不进去
　　　　　　但是如果是自定义类，就必须重写equals和hashcode，否则
　　　　　　set.add(new Person("hzg"));//能添加进去
　　　　　　set.add(new Person("hzg"));//能添加进去
　　　　　　必须在Person类中重写equals和hashcode方法。
　　　　　　当然你自己重写的hashcode比较烂得话，就还是有问题
　　原理：先判断hashcode是否相同，再判断equals

2）TreeSet

 ① TreeSet原理:
   /*
 * TreeSet存储对象的时候, 可以排序, 但是需要指定排序的算法
 * 由于TreeSet是基于TreeMap实现的，所以如果我们对treeMap有了一定的了解，对TreeSet那是小菜一碟，我们从TreeSet中的源码可以看出，其实现过程非常简单，几乎所有的方法实现全部都是基于TreeMap的

 * Integer能排序(有默认顺序), String能排序(有默认顺序), 自定义的类存储的时候出现异常(没有顺序)
 * 
 * 如果想把自定义类的对象存入TreeSet进行排序, 那么必须实现Comparable接口
 *   在类上implement Comparable
 *   重写compareTo()方法
 *   在方法内定义比较算法, 根据大小关系, 返回正数负数或零
 *   在使用TreeSet存储对象的时候, add()方法内部就会自动调用compareTo()方法进行比较, 根据比较结果使用二叉树形式进行存储
 */

 ② TreeSet是依靠TreeMap来实现的。
TreeSet是一个有序集合，TreeSet中的元素将按照升序排列，缺省是按照自然排序进行排列，意味着TreeSet中的元素要实现Comparable接口。或者有一个自定义的比较器。
我们可以在构造TreeSet对象时，传递实现Comparator接口的比较器对象。

public class TreeSetTest {
    public static void main(String[] args) {
        Set ts = new TreeSet();
        ts.add("abc");
        ts.add("xyz");
        ts.add("rst");
        Iterator it = ts.iterator();
        while (it.hasNext()) {
            System.out.println(it.next());
        }
    }
}

输出结果：

abc

rst

xyz

 打印结果不是和先前加入的顺序一样，它是按照一个字母的排序法进行排序的。这是因为String 类实现了Comparable接口。

如果我们自己定义的一个类的对象要加入到TreeSet当中，那么这个类必须要实现Comparable接口(是必须，如果类不重写Compareto方法在你add的时候将会运行错误)。

public class test_treeset {public static void main(String[] args) {
            Set ts = new TreeSet();
            ts.add(new Teacher("zhangsan", 1));
            ts.add(new Teacher("lisi", 2));
            ts.add(new Teacher("wangmazi", 3));
            ts.add(new Teacher("wangwu",4));
            ts.add(new Teacher("mazi", 3));
            Iterator it = ts.iterator();
            while (it.hasNext()) {
                System.out.println(it.next());
            }
        }
}
class Teacher implements Comparable {
    int num;
    String name;

    Teacher(String name, int num) {
        this.num = num;
        this.name = name;
    }

    public String toString() {
        return "学号：" + num + "		姓名：" + name;
    }

    //o中存放时的红黑二叉树中的节点，从根节点开始比较
    public int compareTo(Object o) {
        Teacher ss = (Teacher) o;
        int result = num < ss.num ? 1 : (num == ss.num ? 0 : -1);//降序
        //int result = num > ss.num ? 1 : (num == ss.num ? 0 : -1);//升序
        if (result == 0) {
            result = name.compareTo(ss.name);
        }
        return result;
    }
}

运行结果：

学号：4 姓名：wangwu
学号：3 姓名：mazi
学号：3 姓名：wangmazi
学号：2 姓名：lisi
学号：1 姓名：zhangsan

二、Map接口：

1、hashmap 

　1）构造函数

　　HashMap提供了三个构造函数：

　　HashMap()：构造一个具有默认初始容量 (16) 和默认加载因子 (0.75) 的空 HashMap。

　　HashMap(int initialCapacity)：构造一个带指定初始容量和默认加载因子 (0.75) 的空 HashMap。

　　HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)：构造一个带指定初始容量和加载因子的空 HashMap。

      在这里提到了两个参数：初始容量，加载因子。这两个参数是影响HashMap性能的重要参数，其中容量表示哈希表中桶的数量，初始容量是创建哈希表时的容量，加载因子是哈希表在其容量自动增加之前可以达到多满的一种尺度，它衡量的是一个散列表的空间的使用程度，负载因子越大表示散列表的装填程度越高，反之愈小。对于使用链表法的散列表来说，查找一个元素的平均时间是O(1+a)，因此如果负载因子越大，对空间的利用更充分，然而后果是查找效率的降低；如果负载因子太小，那么散列表的数据将过于稀疏，对空间造成严重浪费。系统默认负载因子为0.75，一般情况下我们是无需修改的。

    2)数据结构

从上图我们可以看出HashMap底层实现还是数组，只是数组的每一项都是一条链。其中参数initialCapacity就代表了该数组的长度。下面为HashMap构造函数的源码：

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
        //初始容量不能<0
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: "
                    + initialCapacity);
        //初始容量不能 > 最大容量值，HashMap的最大容量值为2^30
        if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
            initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
        //负载因子不能 < 0
        if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
            throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: "
                    + loadFactor);

        // 计算出大于 initialCapacity 的最小的 2 的 n 次方值。
        int capacity = 1;
        while (capacity < initialCapacity)
            capacity <<= 1;
        
        this.loadFactor = loadFactor;
        //设置HashMap的容量极限，当HashMap的容量达到该极限时就会进行扩容操作
        threshold = (int) (capacity * loadFactor);
        //初始化table数组
        table = new Entry[capacity];
        init();
    }

从源码中可以看出，每次新建一个HashMap时，都会初始化一个table数组。table数组的元素为Entry节点。

static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final K key;
        V value;
        Entry<K,V> next;
        final int hash;

        /**
         * Creates new entry.
         */
        Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
            value = v;
            next = n;
            key = k;
            hash = h;
        }
        .......
    }

其中Entry为HashMap的内部类，它包含了键key、值value、下一个节点next，以及hash值，这是非常重要的，正是由于Entry才构成了table数组的项为链表。

      上面简单分析了HashMap的数据结构，下面将探讨HashMap是如何实现快速存取的。

3）put的存储实现

先看源码

public V put(K key, V value) {
        //当key为null，调用putForNullKey方法，保存null与table第一个位置中，这是HashMap允许为null的原因
        if (key == null)
            return putForNullKey(value);
        //计算key的hash值
        int hash = hash(key.hashCode());                  ------(1)
        //计算key hash 值在 table 数组中的位置
        int i = indexFor(hash, table.length);             ------(2)
        //从i出开始迭代 e,找到 key 保存的位置
        for (Entry<K, V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
            Object k;
            //判断该条链上是否有hash值相同的(key相同)
            //若存在相同，则直接覆盖value，返回旧value
            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
                V oldValue = e.value;    //旧值 = 新值
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;     //返回旧值
            }
        }
        //修改次数增加1
        modCount++;
        //将key、value添加至i位置处
        addEntry(hash, key, value, i);
        return null;
    }

通过源码我们可以清晰看到HashMap保存数据的过程为：首先判断key是否为null，若为null，则直接调用putForNullKey方法。若不为空则先计算key的hash值，然后根据hash值搜索在table数组中的索引位置，如果table数组在该位置处有元素，则通过比较是否存在相同的key，若存在则覆盖原来key的value，否则将该元素保存在链头（最先保存的元素放在链尾）。若table在该处没有元素，则直接保存。这个过程看似比较简单，其实深有内幕。有如下几点：

      1、 先看迭代处。此处迭代原因就是为了防止存在相同的key值，若发现两个hash值（key）相同时，HashMap的处理方式是用新value替换旧value，这里并没有处理key，这就解释了HashMap中没有两个相同的key。

      2、 在看（1）、（2）处。这里是HashMap的精华所在。首先是hash方法，该方法为一个纯粹的数学计算，就是计算h的hash值。

我们知道对于HashMap的table而言，数据分布需要均匀（最好每项都只有一个元素，这样就可以直接找到），不能太紧也不能太松，太紧会导致查询速度慢，太松则浪费空间。计算hash值后，怎么才能保证table元素分布均与呢？我们会想到取模，但是由于取模的消耗较大，HashMap是这样处理的：调用indexFor方法。

static int indexFor(int h, int length) {
        return h & (length-1);
    }

      HashMap的底层数组长度总是2的n次方，在构造函数中存在：capacity <<= 1;这样做总是能够保证HashMap的底层数组长度为2的n次方。当length为2的n次方时，h&(length - 1)就相当于对length取模，而且速度比直接取模快得多，这是HashMap在速度上的一个优化。至于为什么是2的n次方下面解释。

      我们回到indexFor方法，该方法仅有一条语句：h&(length - 1)，这句话除了上面的取模运算外还有一个非常重要的责任：均匀分布table数据和充分利用空间。

      这里我们假设length为16(2^n)和15，h为5、6、7。

      当n=15时，6和7的结果一样，这样表示他们在table存储的位置是相同的，也就是产生了碰撞，6、7就会在一个位置形成链表，这样就会导致查询速度降低。诚然这里只分析三个数字不是很多，那么我们就看0-15。

      从上面的图表中我们看到总共发生了8此碰撞，同时发现浪费的空间非常大，有1、3、5、7、9、11、13、15处没有记录，也就是没有存放数据。这是因为他们在与14进行&运算时，得到的结果最后一位永远都是0，即0001、0011、0101、0111、1001、1011、1101、1111位置处是不可能存储数据的，空间减少，进一步增加碰撞几率，这样就会导致查询速度慢。而当length = 16时，length – 1 = 15 即1111，那么进行低位&运算时，值总是与原来hash值相同，而进行高位运算时，其值等于其低位值。所以说当length = 2^n时，不同的hash值发生碰撞的概率比较小，这样就会使得数据在table数组中分布较均匀，查询速度也较快。

      这里我们再来复习put的流程：当我们想一个HashMap中添加一对key-value时，系统首先会计算key的hash值，然后根据hash值确认在table中存储的位置。若该位置没有元素，则直接插入。否则迭代该处元素链表并依此比较其key的hash值。如果两个hash值相等且key值相等(e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))),则用新的Entry的value覆盖原来节点的value。如果两个hash值相等但key值不等 ，则将该节点插入该链表的链头。具体的实现过程见addEntry方法，如下：

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
        //获取bucketIndex处的Entry
        Entry<K, V> e = table[bucketIndex];
        //将新创建的 Entry 放入 bucketIndex 索引处，并让新的 Entry 指向原来的 Entry 
        table[bucketIndex] = new Entry<K, V>(hash, key, value, e);
        //若HashMap中元素的个数超过极限了，则容量扩大两倍
        if (size++ >= threshold)
            resize(2 * table.length);
    }

 

      这个方法中有两点需要注意：

     ① 是链的产生。这是一个非常优雅的设计。系统总是将新的Entry对象添加到bucketIndex处。如果bucketIndex处已经有了对象，那么新添加的Entry对象将指向原有的Entry对象，形成一条Entry链，但是若bucketIndex处没有Entry对象，也就是e==null,那么新添加的Entry对象指向null，也就不会产生Entry链了。

     ② 扩容问题。

      随着HashMap中元素的数量越来越多，发生碰撞的概率就越来越大，所产生的链表长度就会越来越长，这样势必会影响HashMap的速度，为了保证HashMap的效率，系统必须要在某个临界点进行扩容处理。该临界点在当HashMap中元素的数量等于table数组长度*加载因子。但是扩容是一个非常耗时的过程，因为它需要重新计算这些数据在新table数组中的位置并进行复制处理。所以如果我们已经预知HashMap中元素的个数，那么预设元素的个数能够有效的提高HashMap的性能。

4）get读取实现

  相对于HashMap的存而言，取就显得比较简单了。通过key的hash值找到在table数组中的索引处的Entry，然后返回该key对应的value即可。

public V get(Object key) {
        // 若为null，调用getForNullKey方法返回相对应的value
        if (key == null)
            return getForNullKey();
        // 根据该 key 的 hashCode 值计算它的 hash 码  
        int hash = hash(key.hashCode());
        // 取出 table 数组中指定索引处的值
        for (Entry<K, V> e = table[indexFor(hash, table.length)]; e != null; e = e.next) {
            Object k;
            //若搜索的key与查找的key相同，则返回相对应的value
            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))
                return e.value;
        }
        return null;
    }

 

      在这里能够根据key快速的取到value除了和HashMap的数据结构密不可分外，还和Entry有莫大的关系，在前面就提到过，HashMap在存储过程中并没有将key，value分开来存储，而是当做一个整体key-value来处理的，这个整体就是Entry对象。同时value也只相当于key的附属而已。在存储的过程中，系统根据key的hashcode来决定Entry在table数组中的存储位置，在取的过程中同样根据key的hashcode取出相对应的Entry对象。

集合辅助工具类--Collections

√ Collections.reverse(List)：反转
√ Collections.shuffle(List)：对元素随机排序
√ Collections.sort(List)：按照升序排序
√ Collections.sort(List，Comparator)：可以按照自定已排序
√ Collections.swap(List,int,int)：按照指定位置在交换元素
√ Collections.max、min(List)：取最大值或者最小值
√ Collections.frequency(List,obj)：obj元素出现几次
√ Collections.copy(List,List):复制集合
√ Collections.synchronizedList(list)：同步控制
    List l = new ArrayList();
    list.add(123);
    list.add(345);
    List l1 = Collections.synchronizedList(list);//l1线程安全
    system.out.printLn(l1);