Java集合框架總結

時間  2021-01-12 標籤 JAVA 集合框架

Java集合框架總結

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java提高篇（二十）-----集合大家族

正文

在編寫Java程序中，我們最常用的除了八種基本數據類型，String類外還有一個集合類，在我們的程序中到處充斥着集合類的身影！Java中集合大家族的成員實在是太豐富了，有常用的ArrayList、HashMap、HashSet，也有不常用的Stack、Queue，有線程安全的Vector、HashTable，也有線程不安全的LinkedList、TreeMap等等。

在這裏插入圖片描述
上面的圖展示了整個集合大家族的成員以及他們之間的關係。下面就開始對上面的各個接口、基類做一些簡單的介紹(主要介紹各個集合的特點。區別)，更加詳細的介紹會在不久的將來一一講解。

一、Collection接口

Collection接口是最基本的集合接口，它不提供直接的實現，Java SDK提供的類都是繼承自Collection的子接口，如List和Set。Collection所代表的是一種規則，它所包含的元素都必須遵循一條或者多條規則。如有些允許重複而有些則不能重複、有些必須要按照順序插入而有些則是散列，有些支持排序但是有些則不支持。

在Java中所有實現了Collection接口的類都必須提供兩套標準的構造函數，一個是無參，用於創建一個空的Collection，一個是帶有Collection參數的有參構造函數，用於創建一個新的Collection，這個新的Collection與傳入進來的Collection參數具備相同的元素。

二、List接口

List所代表的是有序的Collection，即它用某種特定的插入順序來維護元素順序。用戶可以對列表中每個元素的插入位置進行精確地控制，同時可以根據元素的整數索引（在列表中的位置）訪問元素，並搜索列表中的元素。實現List接口的集合主要有：ArrayList、LinkedList、Vector、Stack。

2.1、ArrayList

ArrayList是一個動態數組，也是我們最常用的集合。它允許任何符合規則的元素插入，甚至包括null。每一個ArrayList都有一個初始容量（10），該容量代表了數組的大小。隨着容器中的元素不斷增加，容器的大小也會隨着增加。在每次向容器中增加元素的同時都會進行容量檢查，當快溢出時，就會進行擴容操作。所以如果我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作而浪費時間、效率。

size、isEmpty、get、set、iterator 和 listIterator 操作都以固定時間運行。add 操作以分攤的固定時間運行，也就是說，添加 n 個元素需要 O(n) 時間（由於要考慮到擴容，所以這不只是添加元素會帶來分攤固定時間開銷那樣簡單）。

ArrayList擅長於隨機訪問。同時ArrayList是非同步的。

2.2、LinkedList

同樣實現List接口的LinkedList與ArrayList不同，ArrayList是一個動態數組，而LinkedList是一個雙向鏈表。所以它除了有ArrayList的基本操作方法外還額外提供了get，remove，insert方法在LinkedList的首部或尾部。

由於實現的方式不同，LinkedList不能隨機訪問，它所有的操作都是要按照雙重鏈表的需要執行。在列表中索引的操作將從開頭或結尾遍歷列表（從靠近指定索引的一端）。這樣做的好處就是可以通過較低的代價在List中進行插入和刪除操作。

與ArrayList一樣，LinkedList也是非同步的。如果多個線程同時訪問一個List，則必須自己實現訪問同步。一種解決方法是在創建List時構造一個同步的List：

  • List list = Collections.synchronizedList(new LinkedList(...))。

2.3、Vector

與ArrayList相似，但是Vector是同步的。所以說Vector是線程安全的動態數組。它的操作與ArrayList幾乎一樣。

2.4、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得以被當作堆棧使用。基本的push和pop 方法，還有peek方法得到棧頂的元素，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剛創建後是空棧。

三、Set接口

Set是一種不包括重複元素的Collection。它維持它自己的內部排序，所以隨機訪問沒有任何意義。與List一樣，它同樣允許null的存在，但是僅有一個。由於Set接口的特殊性，所有傳入Set集合中的元素都必須不同，同時要注意任何可變對象，如果在對集合中元素進行操作時，導致e1.equals(e2)==true，則必定會產生某些問題。實現了Set接口的集合有：EnumSet、HashSet、TreeSet。

3.1、EnumSet

是枚舉的專用Set。所有的元素都是枚舉類型。

3.2、HashSet

HashSet堪稱查詢速度最快的集合，因爲其內部是以HashCode來實現的。它內部元素的順序是由哈希碼來決定的，所以它不保證set 的迭代順序；特別是它不保證該順序恆久不變。

3.3、TreeSet

基於TreeMap，生成一個總是處於排序狀態的set，內部以TreeMap來實現。它是使用元素的自然順序對元素進行排序，或者根據創建Set 時提供的 Comparator 進行排序，具體取決於使用的構造方法。

四、Map接口

Map與List、Set接口不同，它是由一系列鍵值對組成的集合，提供了key到Value的映射。同時它也沒有繼承Collection。在Map中它保證了key與value之間的一一對應關係。也就是說一個key對應一個value，所以它不能存在相同的key值，當然value值可以相同。實現map的有：HashMap、TreeMap、HashTable、Properties、EnumMap。

4.1、HashMap

以哈希表數據結構實現，查找對象時通過哈希函數計算其位置，它是爲快速查詢而設計的，其內部定義了一個hash表數組（Entry[] table），元素會通過哈希轉換函數將元素的哈希地址轉換成數組中存放的索引，如果有衝突，則使用散列鏈表的形式將所有相同哈希地址的元素串起來，可能通過查看HashMap.Entry的源碼它是一個單鏈表結構。

4.2、TreeMap

鍵以某種排序規則排序，內部以red-black（紅-黑）樹數據結構實現，實現了SortedMap接口。

4.3、HashTable

也是以哈希表數據結構實現的，解決衝突時與HashMap也一樣，也是採用了散列鏈表的形式，不過性能比HashMap要低，因爲在方法上加了synchronized關鍵字修飾。

五、Queue

隊列，它主要分爲兩大類，一類是阻塞式隊列，隊列滿了以後再插入元素或者隊列空了以後再取走元素則會阻塞，主要包括ArrayBlockingQueue、PriorityBlockingQueue、LinkedBlockingQueue。另一種隊列則是雙端隊列，支持在頭、尾兩端插入和移除元素，主要包括：ArrayDeque、LinkedBlockingDeque、LinkedList。

六、異同點

6.1、Vector和ArrayList

  1. Vector是線程同步的，所以它也是線程安全的，而ArrayList是線程不同步的，是線程不安全的。如果不考慮到線程的安全因素，一般用ArrayList效率比較高。
  2. 如果集合中元素的數目大於目前集合數組的長度時， Vector增長率爲目前數組長度的100%，而ArrayList 增長率爲目前數組長度的50%。如果在集合中使用數據量比較大的數據，用Vector有一定的優勢。
  3. 如果查找一個指定位置的數據， Vector和ArrayList使用的時間是相同的，都是0(1)，這個時候使用 Vector和ArrayList 都可以。而如果移動一個指定位置的數據花費的時間爲0(n-i)，n爲總長度，這個時候就應該考慮到使用LinkedList，因爲它移動一個指定位置的數據所花費的時間爲0(1)，而查詢一個指定位置的數據時花費的時間爲0(i)。

ArrayList 和Vector是採用數組方式存儲數據，此數組元素數大於實際存儲的數據以便增加和插入元素，都允許直接序號索引元素，但是插入數據要設計到數組元素移動等內存操作，所以索引數據快插入數據慢，Vector由於使用了synchronized關鍵字修飾方法（線程安全）所以性能上比ArrayList要差，LinkedList使用雙向鏈表實現存儲，按序號索引數據需要進行向前或向後遍歷，但是插入數據時只需要記錄本項的前後項即可，所以插入數度較快。

6.2、ArrayList和LinkedList

  1. ArrayList是實現了基於動態數組的數據結構，LinkedList基於鏈表的數據結構。
  2. 對於隨機訪問get和set，ArrayList優於LinkedList，因爲LinkedList要移動指針。
  3. 對於新增和刪除操作add和remove，LinedList比較佔優勢，因爲ArrayList要移動數據。

這一點要看實際情況的。若只對單條數據插入或刪除，ArrayList的速度反而優於LinkedList。但若是批量隨機的插入刪除數據，LinkedList的速度大大優於ArrayList.。因爲ArrayList每插入一條數據，要移動插入點及之後的所有數據。

6.3、HashMap與TreeMap

  1. HashMap通過hashcode對其內容進行快速查找，而TreeMap中所有的元素都保持着某種固定的順序，如果你需要得到一個有序的結果你就應該使用TreeMap（HashMap中元素的排列順序是不固定的）。

  2. 集合框架提供兩種常規的Map實現：HashMap和TreeMap (TreeMap實現SortedMap接口)。

  3. 在Map中插入、刪除和定位元素，HashMap 是最好的選擇。但如果您要按自然順序或自定義順序遍歷鍵，那麼TreeMap會更好。使用HashMap要求鍵類明確定義了hashCode()和 equals()的實現。 這個TreeMap沒有調優選項，因爲該樹總處於平衡狀態。

6.4、Hashtable與HashMap

  1. Hashtable是基於陳舊的Dictionary類，HashMap是Java1.2引進的Map接口的一個實現 。
  2. Hashtable是線程安全的，也就是說是同步的，而HashMap是線程序不安全的，不是同步的 。
  3. 只有HashMap可以讓你將空值作爲key或value 。

七、對集合的選擇

7.1、對List的選擇

  1. 對於隨機查詢與迭代遍歷操作，數組比所有的容器都要快。所以在隨機訪問中一般使用ArrayList。
  2. LinkedList使用雙向鏈表對元素的增加和刪除提供了非常好的支持，而ArrayList執行增加和刪除元素需要進行元素位移。
  3. 對於Vector，我們一般都是避免使用。
  4. 將ArrayList當做首選，畢竟對於集合元素而已我們都是進行遍歷，只有當程序的性能因爲List的頻繁插入和刪除而降低時，再考慮LinkedList。

7.2、對Set的選擇

  1. HashSet由於使用HashCode實現，所以在某種程度上來說它的性能永遠比TreeSet要好，尤其是進行增加和查找操作。
  2. 雖然TreeSet沒有HashSet性能好，但是由於它可以維持元素的排序，所以它還是存在用武之地的。

7.3、對Map的選擇

  1. HashMap與HashSet一樣，支持快速查詢。雖然HashTable的速度也不慢，但是在HashMap面前還是稍微慢了些，所以HashMap在查詢方面可以取代HashTable。
  2. 由於TreeMap需要維持內部元素的順序，所以它通常要比HashMap和HashTable慢。
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