Java总结之容器家族--Collection

零、前言

Collection是[收集品]的意思,这里称[容器],是java中的一个接口，位于java.util包下
Collection下有三大接口：List(列表)、Set(集合)、Queue(队列)

Collection.png

容器接口子类及方法.png

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第一节：List接口

List：列表，顾名思义是一种表结构，核心方法：
按索引插入元素 void add(int var1, E var2)
按索引删除元素 E remove(int var1);
按索引修改元素 E set(int var1, E var2)
按索引查询元素 E get(int var1)

特点：  
1.增删改查操作都可以按照索引进行精确的控制，所以是元素的有序排列  
2.允许相同元素

List子类.png

List是java中使用频率非常高的一个接口，最要的子类：ArrayList、Vector、LinkedList
1.其中ArrayList、Vector是AbstractList-->AbstractCollection-->Collection 路线
2.LinkedList不止实现了List，还实现了Deque，就像得到两个师傅的真传，招式(方法)更多一些
Queue接口是队列(先进先出)，Deque接口(双端队列)是Queue的弟子，两头都能随意进出
所以根据需求即可当栈也可当队列，LinkedList得到了Deque的真传，所以也可以

关于抽象类：

抽象类一般是先实现接口，或者拓展一些子类公用方法，总之就是把能做的先做了。
有种天下父母心的感觉，就像AbstractList对ArrayList说：我能帮你做的尽量都做了，接下来就看你的了

public abstract class AbstractCollection<E> implements Collection<E>
public abstract class AbstractSequentialList<E> extends AbstractList<E> 
public abstract class AbstractList<E> extends AbstractCollection<E> implements List<E>

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1.ArrayList:数组列表

ArrayList.png

2.Vector：载体

Vector.png

3.LinkedList：链式列表

LinkedList.png

4.Vector、ArrayList与 LinkedList的比较

可以说Vector、ArrayList是亲兄弟,LinkedList算个堂兄

项目	线程安全?	实现	扩容	定点添加/删除	尾添加/删除	查询	修改
ArrayList	否	数组	50%	O(n)	O(1)	O(1)	O(1)
Vector	是	数组	100%	O(n)	O(1)	O(1)	O(1)
LinkedList	否	双链表	--	O(n)	O(1)	O(n)	O(n)

尾添加测试[add(E)]

----	复杂度	1000	10000	10W	100W	1000W
ArrayList	O(1)	0.0004秒	0.0016秒	0.0063秒	0.0297秒	0.6704秒
LinkedList	O(1)	0.0004秒	0.0017秒	0.0098秒	0.2384秒	2.4285秒

操作数opCount=1000W:插入的位置与耗时比较

----	1/9	3/9	5/9	7/9	8/9
ArrayList	0.1496秒	0.1136秒	0.0821秒	0.0297秒	0.0012秒
LinkedList	0.0150秒	0.0251秒	0.0386秒	0.0176秒	0.0102秒

可见ArrayList越往后插入越快，因为要变动的元素越少
LinkedList从两头到中间速度变慢，取决于链表的查询机制，总的来说，
随机添加LinkedList比较有优势些,只是末尾添加ArrayList较好

数组和双链表两种数据结构：

数组：定点添加，后面元素都要往后挪个位，O(n)-------双链表：耗时在找到那个定点，添加很快，综合O(n)
数组：定点删除，后面元素都要往前挪个位，O(n)-------双链表：耗时在找到那个定点，删除很快，综合O(n)
数组：定点查询，数组自带索引光环，O(1)      -------双链表：一个一个挨着找 O(n)
数组：定点修改，数组自带索引光环，O(1)      -------双链表：耗时在找到那个定点，修改很快，综合O(n)

综上所属：

随机访问、修改性能：Vector、ArrayList>LinkedList  
考虑到Vector、ArrayList添加或删除时：    
1.可能伴随扩容/缩容，  
2.当元素个数巨大时，可能造成大量空闲空间  
3.数组连续开辟空间，会造成储存空间的碎片化  
的这些问题，在大量添加或删除操作使用LinkedList是更好的选择

因为双链表：
1.双链表的添加/删除耗时在查找工作，而双链表查询时会查看索引在前半还是后半
来决定从头查询或从尾查询，从而最差情况只需size/2,而数组最差情况为size
2.链表不需要开辟连续空间，从而避免储存空间的碎片化  

另外在数据非常巨大的时候：
LinkedList基于双链表，需要new 巨大数量的节点(Node),
Vector、ArrayList只是开辟空间，所以更好一些，所以根据需求酌情处理

关于 Vector

顺便提一下只有Vector容器对象可以用vector.elements()获取Enumeration对象，其他列表的需要自定义
在合并字节输入流SequenceInputStream时需要传递一个Enumeration对象，Vector有了用处

SequenceInputStream​(Enumeration<? extends InputStream> e)

Vector类对集合的元素操作时都加了synchronized，保证线程安全。但使得效率下降：如

    public synchronized boolean add(E e) {
        modCount++;
        add(e, elementData, elementCount);
        return true;
    }

所谓同步：即当一个Iterator被正在被使用，另一个线程对Vector添加或删除元素，这时调用Iterator的方法时将抛出异常
public synchronized void replaceAll(UnaryOperator<E> operator) {
        Objects.requireNonNull(operator);
        final int expectedModCount = modCount;
        final Object[] es = elementData;
        final int size = elementCount;
        for (int i = 0; modCount == expectedModCount && i < size; i++)
            es[i] = operator.apply(elementAt(es, i));
        if (modCount != expectedModCount)
            throw new ConcurrentModificationException();
        modCount++;
    }

可以看到很多关于修改的方法当:modCount != expectedModCount时都会扔一个ConcurrentModificationException异常
也就是期望的修改次数与真实的修改次数不一致时

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第二节：Set接口

集合：数学上的集合性质：

确定性：给定一个集合，任给一个元素，该元素或者属于或者不属于该集合
互异性：一个集合中，任何两个元素都认为是不相同的，即每个元素只能出现一次。
无序性：一个集合中，每个元素的地位都是相同的，元素之间是无序的。

Set的操作比较少，基本上也就是Collection传下来的方法
Set一般基于Map来实现：HashSet、LinkedHashSet、TreeSet的特性，根本上是HashMap、LinkedHashMap、TreeMap的特性

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1.HashSet

HashSet内部有一个HashMap<E,Object> map成员变量，增删实际上是使用map的方法
按照哈希的顺序:hashCode()，equals(Object obj)
底层实现：HashMap

HashSet.png

private transient HashMap<E,Object> map;

public HashSet() {
    map = new HashMap<>();
}

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

public boolean remove(Object o) {
    return map.remove(o)==PRESENT;
}

2.LinkedHashSet

LinkedHashSet是HashSet的子类，源码少得可怜,基本上都是调用父类(HashSet)的构造方法
基于一个由链表实现的哈希表，保留了元素插入顺序
底层实现：LinkedHashMap

LinkedHashSet.png

LinkedHashSet中：

public LinkedHashSet(int initialCapacity, float loadFactor) {
    super(initialCapacity, loadFactor, true);
}

HashSet中的三参构造

HashSet(int initialCapacity, float loadFactor, boolean dummy) {
    map = new LinkedHashMap<>(initialCapacity, loadFactor);
}

3.TreeSet---有序集合

实现NavigableSet：使用元素的compareTo对元素进行排序,也可使用Comparator自定义比较器
TreeSet多拜了一个师傅：NavigableSet-->SortedSet 使用方法也多几个
底层实现：TreeMap

    public TreeSet() {
        this(new TreeMap<>());
    }

TreeSet.png

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插入元素顺序比较

        HashSet<String> hashSet = new HashSet<>();
        hashSet.add("赵");
        hashSet.add("钱");
        hashSet.add("孙");
        hashSet.add("李");

        //按照哈希的顺序:hashCode()，equals(Object obj)
        System.out.println(hashSet);//[钱, 赵, 孙, 李]

        LinkedHashSet<String> linkedHashSet = new LinkedHashSet<>();
        linkedHashSet.add("赵");
        linkedHashSet.add("钱");
        linkedHashSet.add("孙");
        linkedHashSet.add("李");
        //基于链表实现了插入的顺序
        System.out.println(linkedHashSet);//[赵, 钱, 孙, 李]

        TreeSet<String> treeSet = new TreeSet<>();
        treeSet.add("赵");
        treeSet.add("钱");
        treeSet.add("孙");
        treeSet.add("李");
        //按照compareTo()的排序
        System.out.println(treeSet);//[孙, 李, 赵, 钱]

项目	线程安全?	实现	add	remove	contains
HashSet	否	HashMap	O(1)	O(1)	O(1)
LinkedHashSet	否	LinkedHashMap	O(1)	O(1)	O(1)
TreeSet	否	TreeMap	O(log(n))	O(log(n))	O(log(n))

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第三节：Queue

关于队列，是一直先进先出的线性数据结构，使用场合比较狭窄
子类常见的有PriorityQueue(优先队列)和上文提到的LinkedList。

queue.png

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PriorityQueue

PriorityQueue优先队列，是基于数组实现的二叉堆来实现的特殊队列，具有完全二叉树的性质。
每次从优先队列中取出来的元素要么是最大值或最小值（最大堆/最小堆）

Collection的简单总结就酱紫

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后记：捷文规范

1.本文成长记录及勘误表

项目源码	日期	备注
V0.1--无	2018-10-1	Java总结之容器家族--Collection
V0.2--无	2018-10-11	增加Vector在SequenceInputStream中的作用

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