Java集合框架詳解

1、Java集合框架概述java

集合能夠看做是一種容器，用來存儲對象信息。全部集合類都位於 java.util 包下，但支持多線程的集合類位於 java.util.concurrent 包下。算法

數組與集合的區別以下：數組

1）數組長度不可變化並且沒法保存具備映射關係的數據；集合類用於保存數量不肯定的數據，以及保存具備映射關係的數據。安全

2）數組元素既能夠是基本類型的值，也能夠是對象；集合只能保存對象。數據結構

Java集合類主要由兩個根接口 Collection 和 Map 派生出來的，Collection派生出了三個子接口： List、Set、Queue（Java5新增的隊列） ，所以Java集合大體也可分紅List、Set、Queue、Map四種接口體系，（ 注意：Map不是Collection的子接口 ）。多線程

其中List表明了有序可重複集合，可直接根據元素的索引來訪問；Set表明無序不可重複集合，只能根據元素自己來訪問；Queue是隊列集合；Map表明的是存儲key-value對的集合，可根據元素的key來訪問value。架構

上圖中淡綠色背景覆蓋的是集合體系中經常使用的實現類，分別是ArrayList、LinkedList、ArrayQueue、HashSet、TreeSet、HashMap、TreeMap等實現類。框架

2、Java集合常見接口及實現類性能

1. Collection接口常見方法（來源於Java API）學習

2. Set集合

Set集合與Collection的方法相同，因爲Set集合不容許存儲相同的元素，因此若是把兩個相同元素添加到同一個Set集合，則添加操做失敗，新元素不會被加入，add()方法返回false。爲了幫助理解，請看下面代碼示例：

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        Set<String> set = new HashSet<String>();
        set.add("hello world");
        set.add("hello 冰湖一角");
        set.add("hello 冰湖一角");//添加不進去
        System.out.println("集合中元素個數："+set.size());
        System.out.println("集合中元素爲："+set.toString());
    }
}

運行結果以下：

集合中元素個數：2

集合中元素爲：[hello world, hello 冰湖一角]

分析：因爲String類中重寫了hashCode()和equals()方法，用來比較指向的字符串對象所存儲的字符串是否相等。因此這裏的第二個"hello 冰湖一角"是加不進去的。

下面着重介紹Set集合幾個經常使用實現類：

1）HashSet類

HashSet是Set集合最經常使用實現類，是其經典實現。HashSet是按照hash算法來存儲元素的，所以具備很好的存取和查找性能。

HashSet具備以下特色：

♦ 不能保證元素的順序。

♦ HashSet不是線程同步的，若是多線程操做HashSet集合，則應經過代碼來保證其同步。

♦ 集合元素值能夠是null。

HashSet存儲原理以下：

當向HashSet集合存儲一個元素時，HashSet會調用該對象的hashCode()方法獲得其hashCode值，而後根據hashCode值決定該對象的存儲位置。HashSet集合判斷兩個元素相等的標準是(1)兩個對象經過equals()方法比較返回true；(2)兩個對象的hashCode()方法返回值相等。所以，若是(1)和(2)有一個不知足條件，則認爲這兩個對象不相等，能夠添加成功。若是兩個對象的hashCode()方法返回值相等，可是兩個對象經過equals()方法比較返回false，HashSet會以鏈式結構將兩個對象保存在同一位置，這將致使性能降低，所以在編碼時應避免出現這種狀況。

HashSet查找原理以下：

基於HashSet以上的存儲原理，在查找元素時，HashSet先計算元素的HashCode值（也就是調用對象的hashCode方法的返回值），而後直接到hashCode值對應的位置去取出元素便可，這就是HashSet速度很快的緣由。

重寫hashCode()方法的基本原則以下：

♦ 在程序運行過程當中，同一個對象的hashCode()方法返回值應相同。

♦ 當兩個對象經過equals()方法比較返回true時，這兩個對象的hashCode()方法返回值應該相等。

♦ 對象中用做equals()方法比較標準的實例變量，都應該用於計算hashCode值。

2）LinkedHashSet類

LinkedHashSet是HashSet的一個子類，具備HashSet的特性，也是根據元素的hashCode值來決定元素的存儲位置。但它使用鏈表維護元素的次序，元素的順序與添加順序一致。因爲LinkedHashSet須要維護元素的插入順序，所以性能略低於HashSet，但在迭代訪問Set裏的所有元素時由很好的性能。

3）TreeSet類

TreeSet時SortedSet接口的實現類，TreeSet能夠保證元素處於排序狀態，它採用紅黑樹的數據結構來存儲集合元素。TreeSet支持兩種排序方法：天然排序和定製排序，默認採用天然排序。

♦ 天然排序

TreeSet會調用集合元素的compareTo(Object obj)方法來比較元素的大小關係，而後將元素按照升序排列，這就是天然排序。若是試圖將一個對象添加到TreeSet集合中，則該對象必須實現Comparable接口，不然會拋出異常。當一個對象調用方法與另外一個對象比較時，例如obj1.compareTo(obj2)，若是該方法返回0，則兩個對象相等；若是返回一個正數，則obj1大於obj2；若是返回一個負數，則obj1小於obj2。

Java經常使用類中已經實現了Comparable接口的類有如下幾個：

♦ BigDecimal、BigDecimal以及全部數值型對應的包裝類：按照它們對應的數值大小進行比較。

♦ Charchter：按照字符的unicode值進行比較。

♦ Boolean：true對應的包裝類實例大於false對應的包裝類實例。

♦ String：按照字符串中的字符的unicode值進行比較。

♦ Date、Time：後面的時間、日期比前面的時間、日期大。

對於TreeSet集合而言，它判斷兩個對象是否相等的標準是：兩個對象經過compareTo(Object obj)方法比較是否返回0，若是返回0則相等。

♦ 定製排序

想要實現定製排序，須要在建立TreeSet集合對象時，提供一個Comparator對象與該TreeSet集合關聯，由Comparator對象負責集合元素的排序邏輯。

綜上：天然排序實現的是Comparable接口，定製排序實現的是Comparator接口。（具體代碼實現會在後續章節中講解）

4）EnumSet類

EnumSet是一個專爲枚舉類設計的集合類，不容許添加null值。EnumSet的集合元素也是有序的，它以枚舉值在Enum類內的定義順序來決定集合元素的順序。

5）各Set實現類的性能分析

HashSet的性能比TreeSet的性能好（特別是添加，查詢元素時），由於TreeSet須要額外的紅黑樹算法維護元素的次序，若是須要一個保持排序的Set時才用TreeSet，不然應該使用HashSet。

LinkedHashSet是HashSet的子類，因爲須要鏈表維護元素的順序，因此插入和刪除操做比HashSet要慢，但遍歷比HashSet快。

EnumSet是全部Set實現類中性能最好的，但它只能 保存同一個枚舉類的枚舉值做爲集合元素。

以上幾個Set實現類都是線程不安全的，若是多線程訪問，必須手動保證集合的同步性，這在後面的章節中會講到。

3. List集合

List集合表明一個有序、可重複集合，集合中每一個元素都有其對應的順序索引。List集合默認按照元素的添加順序設置元素的索引，能夠經過索引（相似數組的下標）來訪問指定位置的集合元素。

實現List接口的集合主要有：ArrayList、LinkedList、Vector、Stack。

1）ArrayList

ArrayList是一個 動態數組 ，也是咱們最經常使用的集合，是List類的典型實現。它容許任何符合規則的元素插入甚至包括null。每個ArrayList都有一個初始容量（10），該容量表明瞭數組的大小。隨着容器中的元素不斷增長，容器的大小也會隨着增長。在每次向容器中增長元素的同時都會進行容量檢查，當快溢出時，就會進行擴容操做。因此若是咱們明確所插入元素的多少，最好指定一個初始容量值，避免過多的進行擴容操做而浪費時間、效率。

  ArrayList擅長於隨機訪問。同時ArrayList是非同步的。

2）LinkedList

LinkedList是List接口的另外一個實現，除了能夠根據索引訪問集合元素外，LinkedList還實現了Deque接口，能夠看成雙端隊列來使用，也就是說，既能夠看成「棧」使用，又能夠看成隊列使用。

LinkedList的實現機制與ArrayList的實現機制徹底不一樣，ArrayLiat內部以數組的形式保存集合的元素，因此隨機訪問集合元素有較好的性能；LinkedList內部以鏈表的形式保存集合中的元素，因此隨機訪問集合中的元素性能較差，但在插入刪除元素時有較好的性能。

3）Vector

與ArrayList類似，可是 Vector是同步的 。因此說 Vector是線程安全的動態數組 。它的操做與ArrayList幾乎同樣。

4）Stack

Stack繼承自Vector，實現一個後進先出的堆棧。Stack提供5個額外的方法使得Vector得以被看成堆棧使用。基本的push和pop 方法，還有peek方法獲得棧頂的元素，empty方法測試堆棧是否爲空，search方法檢測一個元素在堆棧中的位置。Stack剛建立後是空棧。

5）Iterator接口和ListIterator接口

Iterator是一個接口，它是集合的迭代器。集合能夠經過Iterator去遍歷集合中的元素。Iterator提供的API接口以下：

♦ boolean hasNext()：判斷集合裏是否存在下一個元素。若是有，hasNext()方法返回 true。

♦ Object next()：返回集合裏下一個元素。

♦ void remove()：刪除集合裏上一次next方法返回的元素。

ListIterator接口繼承Iterator接口，提供了專門操做List的方法。ListIterator接口在Iterator接口的基礎上增長了如下幾個方法：

♦ boolean hasPrevious()：判斷集合裏是否存在上一個元素。若是有，該方法返回 true。

♦ Object previous()：返回集合裏上一個元素。

♦ void add(Object o)：在指定位置插入一個元素。

以上兩個接口相比較，不難發現，ListIterator增長了向前迭代的功能（Iterator只能向後迭代），ListIterator還能夠經過add()方法向List集合中添加元素（Iterator只能刪除元素）。

4. Map集合

Map接口採用鍵值對Map<K,V>的存儲方式，保存具備映射關係的數據，所以，Map集合裏保存兩組值，一組值用於保存Map裏的key，另一組值用於保存Map裏的value，key和value能夠是任意引用類型的數據。key值不容許重複，能夠爲null。若是添加key-value對時Map中已經有重複的key，則新添加的value會覆蓋該key原來對應的value。經常使用實現類有HashMap、LinkedHashMap、TreeMap等。

Map常見方法（來源於API）以下：

1）HashMap與Hashtable

HashMap與Hashtable是Map接口的兩個典型實現，它們之間的關係徹底相似於ArrayList與Vertor。HashTable是一個古老的Map實現類，它提供的方法比較繁瑣，目前基本不用了， HashMap與Hashtable主要存在如下兩個典型區別：

♦ HashMap是線程不安全，HashTable是線程安全的。

♦ HashMap可使用null值最爲key或value；Hashtable不容許使用null值做爲key和value，若是把null放進HashTable中，將會發生空指針異常。

爲了成功的在HashMap和Hashtable中存儲和獲取對象，用做key的對象必須實現hashCode()方法和equals()方法。

HashMap工做原理以下：

HashMap基於hashing原理，經過put()和get()方法存儲和獲取對象。當咱們將鍵值對傳遞給put()方法時，它調用建對象的hashCode()方法來計算hashCode值，而後找到bucket位置來儲存值對象。當獲取對象時，經過建對象的equals()方法找到正確的鍵值對，而後返回對象。HashMap使用鏈表來解決碰撞問題，當發生碰撞了，對象將會存儲在鏈表的下一個節點中。

2）LinkedHashMap實現類

LinkedHashMap使用雙向鏈表來維護key-value對的次序（其實只須要考慮key的次序便可），該鏈表負責維護Map的迭代順序，與插入順序一致，所以性能比HashMap低，但在迭代訪問Map裏的所有元素時有較好的性能。

3）Properties

Properties類時Hashtable類的子類，它至關於一個key、value都是String類型的Map，主要用於讀取配置文件。

4）TreeMap實現類

TreeMap是SortedMap的實現類，是一個紅黑樹的數據結構，每一個key-value對做爲紅黑樹的一個節點。TreeMap存儲key-value對時，須要根據key對節點進行排序。 TreeMap也有兩種排序方式：在此我向你們推薦一個架構學習交流裙。交流學習裙號：687810532，裏面會分享一些資深架構師錄製的視頻錄像

♦ 天然排序：TreeMap的全部key必須實現Comparable接口，並且全部的key應該是同一個類的對象，不然會拋出ClassCastException。

♦ 定製排序：建立TreeMap時，傳入一個Comparator對象，該對象負責對TreeMap中的全部key進行排序。

5）各Map實現類的性能分析

♦ HashMap一般比Hashtable（古老的線程安全的集合）要快

♦ TreeMap一般比HashMap、Hashtable要慢，由於TreeMap底層採用紅黑樹來管理key-value。

♦ LinkedHashMap比HashMap慢一點，由於它須要維護鏈表來爆出key-value的插入順序。