Java基础-集合

JAVA 集合

在处理数据的过程中经常会需要一个容器来存储某一类型的数据，Java 中的数组就是这样一种容器。但 Java 中的数组有其局限性，定义后的数组长度不可变，超出数组长度后就不能再存放数据了。而很多时候我们并不知道数据到底有多少，所以就需要有不定长的容器来存放数据，这就是集合，Java 中的集合都采用了泛型实现，可以存入任何类型的对象数据。
Java 中的数组：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

package test; import java.util.Arrays; public class Arr { public static void main(String[] args) { int[] arr = new int[2]; arr[0] = 1; arr[1] = 2; // arr[2] = 3; // 编译出错 System.out.println(Arrays.toString(arr)); // 输出：[1, 2] } }

Java 中的集合主要分为四类：

1. List 列表，有序，可重复
2. Queue 队列，有序，可重复
3. Set 集合，不可重复
4. Map 映射，无序，键唯一，值不唯一

每种集合类型下都包含多个具体的实现类，如：

1. List 列表，有序、可重复

常用的 List 实现类有：ArrayList、LinkedList、Vector、Stack。

1.1 ArrayList 列表

ArrayList 数组列表，有序，可重复，内部是通过 Array 实现。
初始化对象时，如果没有传大小，则列表的大小为 DEFAULT_CAPACITY 的默认值 10。当列表容量不够时，继续往列表中追加元素，则通过数组拷贝，对原数组进行扩容，扩容的方式为 int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1)，即新数组容量 newCapacity 为 10 + 10/2 = 15。如果一次性追加多个元素时比如 6 个，这时候列表最小容量 minCapacity 需要 10 + 6 = 16，新的容量 newCapacity 小于最小容量 minCapacity 则新数组容量取最小容量值 newCapacity = minCapacity。
对数组列表进行插入、删除操作时都需要对数组进行拷贝并重排序。所以如果能知道大概存储多少数据时，尽量初始化初始容量，提升性能。

1 2 3 4 5

List a = new ArrayList(); a.add(11); a.add("aaa"); // 添加元素 a.get(1); // 获取第二个元素值 a.remove(1); // 删除第 2 个元素

1.2 LinkedList 双向链表

LinkedList 是双向链表，也即每个元素都有指向前后元素的指针。既然是链表那么顺序读取的效率非常高，而随机读取的效率较低。当随机获取一个 index 位元素时，链表先比较 index 和链表长度 1/2 的大小，小于时从链表头部查找元素，大于时就从链表尾部查找元素。

1 2 3 4 5 6

LinkedList l =new LinkedList(); l.add(1); l.add(2); l.getFirst(); // 获取第一个元素 l.getLast(); // 获取最后一个元素 l.remove(1); // 删除第 2 个元素

对比 ArrayList 如果随机读取数据较多时使用 ArrayList 性能高，插入删除较多时使用 LinkedList 性能高。

1.3 Vector 向量，线程安全的列表

与 ArrayList 一样也是通过数组实现的，不同的是 Vector 是线程安全的，也即同一时间下只能有一个线程访问 Vector，线程安全的同时带来了性能的耗损，所以一般都使用 ArrayList。Vector 的扩容也与 ArrayList 不同，可以设置扩容值，默认每次扩容原来的一倍。

1 2 3 4 5

Vector v = new Vector(); v.add("aa"); v.add("bb"); v.get(1); v.remove(1);

1.4 Stack 栈，后进先出（LIFO）

Stack 继承自 Vector 所以也是数组实现的，线程安全的栈。因为 Stack 继承自 Vector 所以就拥有 Vector 中定义的方法，但作为栈数据类型，不建议使用 Vector 中与栈无关的方法，尽量只用 Stack 中的定义的栈相关方法，这样不会破坏栈数据类型。

1 2 3 4 5

Stack s = new Stack(); s.push(1); s.push(2); s.pop(); // 抛出并删除首个元素 s.peek(); // 返回首个元素值，不删除值

1.5 ArrayQueue 数组队列，先进后出（FIFO）

ArrayQueue 是数组实现的队列，从队尾加入数据，只能队头删除数据，可随机读取队列数据。

1 2 3 4 5 6

ArrayQueue q = new ArrayQueue(12); q.add(1); q.add(2); q.get(1); q.size();、 q.remove(0);

2. Queue 队列，有序、可重复

继承自 Queue 的队列有：ArrayDeque、LinkedList、PriorityQueue。

2.1 ArrayDeque 数组实现的双端队列

ArrayDeque 是队列，但也可以作为栈使用，而且对比 Stack 更高效。作为双端队列那就可以在队列两端插入和删除元素。当追加元素超过容量限制时，则创建一个两边容量的新数组，并将原数组的内容拷贝到新数组中。

1 2 3 4 5 6 7 8 9

ArrayDeque d = new ArrayDeque(); d.addFirst(11); d.addLast(22); d.pollFirst(); d.pollLast(); // 返回并删除队尾元素 d.peekLast(); // 返回但不删除队尾元素 d.peekFirst(); d.push(44); d.pop();

2.2 LinkedList 队列也是双向链表

上文 1.2 中已经提过，这里就不赘述了。推荐使用 ArrayDeque。

2.3 PriorityQueue 优先队列，数组实现的二叉树

PriorityQueue 是一个完全二叉树实现的小顶堆（任意一个非叶子节点的权值，都不大于其左右子节点的权值）。

1 2 3 4 5 6

PriorityQueue q = new PriorityQueue(); q.offer(1); q.offer(2); q.offer(3); // 插入元素 q.peek(); // 查看顶端元素 q.poll(); // 返回并删除顶端元素

详细介绍地址：PriorityQueue

3. Map 映射/字典，无序，键值对，键唯一

常用的 Map 实现有：HashMap、TreeMap、LinkedHashMap

3.1 HashMap 哈希映射/字典

HashMap 就是 key->value 的键值对数据，key 是唯一的，而且 key 和 value 都可以为 null。HashMap 和 HashTable 相似，HashTable 实现了线程同步，在Object超类解析章节中简单介绍过 HashTable 的数据存储方式。
HashMap 是个无序的字典，遍历时不保证元素顺序。HashMap 创建时默认会设置初始容量大小（默认16），和装载因子（默认 0.75，扩充容量的阀值），装载因子 = 已存入元素个数 / 总容量大小。当然这两个值也可以手动设置。
HashMap 的数据存储结构如下图：

HashMap 当插入一个数据时，先对 key 值做 hash，用得到的值与容器的大小 n 减 1 做 & 运算得到桶的位置，即：i = (n - 1) & hash，i 就是桶的位置。在桶中查找有无元素，没有直接插入，有则比较元素 key 值是否相同，相同用新值替换。
桶的位置计算为什么是 (n - 1) & hash？先看 hash 值的计算:

1 2 3 4 5

// hash() 函数返回一个整数 static final int hash(Object key) { int h; return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16); }

hash() 函数对 key 取值后返回一个整数。又因为 HashMap 的容量 n 大小始终为 2 的幂（默认为 16），那么 大专栏  Java基础-集合de>n - 1 的二进制始终是最高位为 1，其它位为 0 的数，如：10...0，这个数与整数做 & 运算就得到 hash / n 的余数，余数的取值范围在 0 ~ n-1，很巧妙的设计。相关源码，这里截取了部分：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99

public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable { // 构造函数 public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) { if (initialCapacity < 0) throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " + initialCapacity); if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY) initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY; if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor)) throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " + loadFactor); this.loadFactor = loadFactor; // 扩容的阀值 this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity); } /** * 容器大小，返回 2 的幂 * Returns a power of two size for the given target capacity. */ static final int tableSizeFor(int cap) { int n = cap - 1; n |= n >>> 1; n |= n >>> 2; n |= n >>> 4; n |= n >>> 8; n |= n >>> 16; return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1; } // 插入元素 public V put(K key, V value) { return putVal(hash(key), key, value, false, true); } /** * // 实际插入元素的方法 * Implements Map.put and related methods. * * @param hash hash for key * @param key the key * @param value the value to put * @param onlyIfAbsent if true, don't change existing value * @param evict if false, the table is in creation mode. * @return previous value, or null if none */ final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) { Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i; if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) // resize 函数会设置扩容阀值 n = (tab = resize()).length; if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) tab[i] = newNode(hash, key, value, null); else { Node<K,V> e; K k; if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) e = p; else if (p instanceof TreeNode) e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value); else { for (int binCount = 0; ; ++binCount) { if ((e = p.next) == null) { p.next = newNode(hash, key, value, null); if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st treeifyBin(tab, hash); break; } if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) break; p = e; } } if (e != null) { // existing mapping for key V oldValue = e.value; if (!onlyIfAbsent || oldValue == null) e.value = value; afterNodeAccess(e); return oldValue; } } ++modCount; if (++size > threshold) resize(); afterNodeInsertion(evict); return null; } // 取 hash static final int hash(Object key) { int h; return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16); } }

3.2 TreeMap 红黑树实现的 key->value 容器，可排序

红黑树是一种自平衡二叉查找树，介绍。
更多参考：
https://www.cnblogs.com/skywang12345/p/3245399.html
https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-lo-tree/index.html

3.3 LinkedHashMap 链表映射/字典

LinkedHashMap 继承自 HashMap 所以具有 HashMap 的所有特性。同时又实现了双向链表的特性，保留了元素插入顺序。

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

LinkedHashMap<String, Integer> l = new LinkedHashMap<>(); l.put("a", 11); l.put("b", 22); l.put("c", 33); l.put("d", 44); Iterator ita = l.entrySet().iterator(); while (ita.hasNext()) { Map.Entry entry = (Map.Entry) ita.next(); System.out.println(entry.getKey() + "=" + entry.getValue()); } // 输出： a=11 b=22 c=33 d=44

4. Set 集合，不可重复

常用的 Set 实现有：HashSet、LinkedHashSet、TreeSet、EnumSet。

4.1 HashSet 哈希集合

HashSet 是基于 HashMap 实现的集合，对 HashMap 做了一些封装。数据结构如图：

与 HashMap 不同的是元素的保存为链表形式，插入数据时遍历链表查看是否有相同数据，有则返回 false，没有返回 true。

1 2 3 4

HashSet s = new HashSet(); s.add("aa"); System.out.println(s.add("aa")); // false System.out.println(s.add("bb")); // true

4.2 LinkedHashSet 链表集合

继承自 HashSet 与 LinkedHashMap 相似，是对 LinkedHashMap 的封装。

4.3 TreeSet 红黑树集合

与 TreeMap 相似。是对 TreeMap 的封装。

本文只是对 Java 中的集合类做了个简单介绍，详细设计请查看源码了解详情。