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Java集合框架详解(全)

一、Java集合框架概述

集合可以看作是一种容器,用来存储对象信息。所有集合类都位于java.util包下,但支持多线程的集合类位于java.util.concurrent包下。

数组与集合的区别如下:

  1)数组长度不可变化而且无法保存具有映射关系的数据;集合类用于保存数量不确定的数据,以及保存具有映射关系的数据。

  2)数组元素既可以是基本类型的值,也可以是对象;集合只能保存对象。

  Java集合类主要由两个根接口Collection和Map派生出来的,Collection派生出了三个子接口:List、Set、Queue(Java5新增的队列),因此Java集合大致也可分成List、Set、Queue、Map四种接口体系,(注意:Map不是Collection的子接口)。

Java集合框架图如下:

其中List代表了有序可重复集合,可直接根据元素的索引来访问;Set代表无序不可重复集合,只能根据元素本身来访问;Queue是队列集合;Map代表的是存储key-value对的集合,可根据元素的key来访问value。

  上图中淡绿色背景覆盖的是集合体系中常用的实现类,分别是ArrayList、LinkedList、ArrayQueue、HashSet、TreeSet、HashMap、TreeMap等实现类。

二、Java集合常见接口及实现类

1. Collection接口常见方法(来源于Java API)

2. Set集合

  Set集合与Collection的方法相同,由于Set集合不允许存储相同的元素,所以如果把两个相同元素添加到同一个Set集合,则添加操作失败,新元素不会被加入,add()方法返回false。为了帮助理解,请看下面代码示例:

public class Test {    
  public static void main(String[] args) {
   Set<String> set=new HashSet();
   set.add("hello world");
   set.add("hello 冰湖一角");
   set.add("hello 冰湖一角");
   System.out.println("集合中元素个数:"
        +set.size());
   System.out.println("集合中元素为:"
       +set.toString());
  }
}

运行结果如下:

集合中元素个数:2 集合中元素为:[hello world, hello 冰湖一角]

分析:由于String类中重写了hashCode()和equals()方法,用来比较指向的字符串对象所存储的字符串是否相等。所以这里的第二个"hello 冰湖一角"是加不进去的。

下面着重介绍Set集合几个常用实现类:

1)HashSet类

  HashSet是Set集合最常用实现类,是其经典实现。HashSet是按照hash算法来存储元素的,因此具有很好的存取和查找性能。

HashSet具有如下特点:

  ♦ 不能保证元素的顺序。

  ♦ HashSet不是线程同步的,如果多线程操作HashSet集合,则应通过代码来保证其同步。

  ♦ 集合元素值可以是null。

HashSet存储原理如下:

  当向HashSet集合存储一个元素时,HashSet会调用该对象的hashCode()方法得到其hashCode值,然后根据hashCode值决定该对象的存储位置。HashSet集合判断两个元素相等的标准是(1)两个对象通过equals()方法比较返回true;(2)两个对象的hashCode()方法返回值相等。因此,如果(1)和(2)有一个不满足条件,则认为这两个对象不相等,可以添加成功。如果两个对象的hashCode()方法返回值相等,但是两个对象通过equals()方法比较返回false,HashSet会以链式结构将两个对象保存在同一位置,这将导致性能下降,因此在编码时应避免出现这种情况。

HashSet查找原理如下:

  基于HashSet以上的存储原理,在查找元素时,HashSet先计算元素的HashCode值(也就是调用对象的hashCode方法的返回值),然后直接到hashCode值对应的位置去取出元素即可,这就是HashSet速度很快的原因。

重写hashCode()方法的基本原则如下:

  ♦ 在程序运行过程中,同一个对象的hashCode()方法返回值应相同。

  ♦ 当两个对象通过equals()方法比较返回true时,这两个对象的hashCode()方法返回值应该相等。

  ♦ 对象中用作equals()方法比较标准的实例变量,都应该用于计算hashCode值。

2)LinkedHashSet类

  LinkedHashSet是HashSet的一个子类,具有HashSet的特性,也是根据元素的hashCode值来决定元素的存储位置。但它使用链表维护元素的次序,元素的顺序与添加顺序一致。由于LinkedHashSet需要维护元素的插入顺序,因此性能略低于HashSet,但在迭代访问Set里的全部元素时由很好的性能。

3)TreeSet类

  TreeSet时SortedSet接口的实现类,TreeSet可以保证元素处于排序状态,它采用红黑树的数据结构来存储集合元素。TreeSet支持两种排序方法:自然排序和定制排序,默认采用自然排序。

♦ 自然排序

  TreeSet会调用集合元素的compareTo(Object obj)方法来比较元素的大小关系,然后将元素按照升序排列,这就是自然排序。如果试图将一个对象添加到TreeSet集合中,则该对象必须实现Comparable接口,否则会抛出异常。当一个对象调用方法与另一个对象比较时,例如obj1.compareTo(obj2),如果该方法返回0,则两个对象相等;如果返回一个正数,则obj1大于obj2;如果返回一个负数,则obj1小于obj2。

  Java常用类中已经实现了Comparable接口的类有以下几个:

  ♦ BigDecimal、BigDecimal以及所有数值型对应的包装类:按照它们对应的数值大小进行比较。

  ♦ Charchter:按照字符的unicode值进行比较。

  ♦ Boolean:true对应的包装类实例大于false对应的包装类实例。

  ♦ String:按照字符串中的字符的unicode值进行比较。

  ♦ Date、Time:后面的时间、日期比前面的时间、日期大。

  对于TreeSet集合而言,它判断两个对象是否相等的标准是:两个对象通过compareTo(Object obj)方法比较是否返回0,如果返回0则相等。

♦ 定制排序

  想要实现定制排序,需要在创建TreeSet集合对象时,提供一个Comparator对象与该TreeSet集合关联,由Comparator对象负责集合元素的排序逻辑。

  综上:自然排序实现的是Comparable接口,定制排序实现的是Comparator接口。(具体代码实现会在后续章节中讲解)

4)EnumSet类

  EnumSet是一个专为枚举类设计的集合类,不允许添加null值。EnumSet的集合元素也是有序的,它以枚举值在Enum类内的定义顺序来决定集合元素的顺序。

5)各Set实现类的性能分析

  HashSet的性能比TreeSet的性能好(特别是添加,查询元素时),因为TreeSet需要额外的红黑树算法维护元素的次序,如果需要一个保持排序的Set时才用TreeSet,否则应该使用HashSet。

  LinkedHashSet是HashSet的子类,由于需要链表维护元素的顺序,所以插入和删除操作比HashSet要慢,但遍历比HashSet快。

  EnumSet是所有Set实现类中性能最好的,但它只能 保存同一个枚举类的枚举值作为集合元素。

  以上几个Set实现类都是线程不安全的,如果多线程访问,必须手动保证集合的同步性,这在后面的章节中会讲到。

3. List集合

  List集合代表一个有序、可重复集合,集合中每个元素都有其对应的顺序索引。List集合默认按照元素的添加顺序设置元素的索引,可以通过索引(类似数组的下标)来访问指定位置的集合元素。

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

1)ArrayList

ArrayList是一个动态数组,也是我们最常用的集合,是List类的典型实现。它允许任何符合规则的元素插入甚至包括null。每一个ArrayList都有一个初始容量(10),该容量代表了数组的大小。随着容器中的元素不断增加,容器的大小也会随着增加。在每次向容器中增加元素的同时都会进行容量检查,当快溢出时,就会进行扩容操作。所以如果我们明确所插入元素的多少,最好指定一个初始容量值,避免过多的进行扩容操作而浪费时间、效率。

ArrayList擅长于随机访问元,同时ArrayList是非同步的。

2)LinkedList

LinkedList是List接口的另一个实现,除了可以根据索引访问集合元素外,LinkedList还实现了Deque接口,可以当作双端队列来使用,也就是说,既可以当作“栈”使用,又可以当作队列使用。

  LinkedList的实现机制与ArrayList的实现机制完全不同,ArrayLiat内部以数组的形式保存集合的元素,所以随机访问集合元素有较好的性能;LinkedList内部以链表的形式保存集合中的元素,所以随机访问集合中的元素性能较差,但在插入删除元素时有较好的性能。

3)Vector

与ArrayList相似,但是Vector是同步的。所以说Vector是线程安全的动态数组。它的操作与ArrayList几乎一样。

4)Stack

Stack继承自Vector,实现一个后进先出的堆栈。Stack提供5个额外的方法使得Vector得以被当作堆栈使用。基本的push和pop 方法,还有peek方法得到栈顶的元素,empty方法测试堆栈是否为空,search方法检测一个元素在堆栈中的位置。Stack刚创建后是空栈。

5)Iterator接口和ListIterator接口

  Iterator是一个接口,它是集合的迭代器。集合可以通过Iterator去遍历集合中的元素。Iterator提供的API接口如下:

  ♦ boolean hasNext():判断集合里是否存在下一个元素。如果有,hasNext()方法返回 true。   ♦ Object next():返回集合里下一个元素。   ♦ void remove():删除集合里上一次next方法返回的元素。

  ListIterator接口继承Iterator接口,提供了专门操作List的方法。ListIterator接口在Iterator接口的基础上增加了以下几个方法:

  ♦ boolean hasPrevious():判断集合里是否存在上一个元素。如果有,该方法返回 true。   ♦ Object previous():返回集合里上一个元素。   ♦ void add(Object o):在指定位置插入一个元素。

  以上两个接口相比较,不难发现,ListIterator增加了向前迭代的功能(Iterator只能向后迭代),ListIterator还可以通过add()方法向List集合中添加元素(Iterator只能删除元素)。

4. Map集合

  Map接口采用键值对Map<K,V>的存储方式,保存具有映射关系的数据,因此,Map集合里保存两组值,一组值用于保存Map里的key,另外一组值用于保存Map里的value,key和value可以是任意引用类型的数据。key值不允许重复,可以为null。如果添加key-value对时Map中已经有重复的key,则新添加的value会覆盖该key原来对应的value。常用实现类有HashMap、LinkedHashMap、TreeMap等。

  Map常见方法(来源于API)如下:

1)HashMap与Hashtable

  HashMap与Hashtable是Map接口的两个典型实现,它们之间的关系完全类似于ArrayList与Vertor。HashTable是一个古老的Map实现类,它提供的方法比较繁琐,目前基本不用了,HashMap与Hashtable主要存在以下两个典型区别:

  ♦ HashMap是线程不安全,HashTable是线程安全的。

  ♦ HashMap可以使用null值最为key或value;Hashtable不允许使用null值作为key和value,如果把null放进HashTable中,将会发生空指针异常。

  为了成功的在HashMap和Hashtable中存储和获取对象,用作key的对象必须实现hashCode()方法和equals()方法。

HashMap工作原理如下:

  HashMap基于hashing原理,通过put()和get()方法存储和获取对象。当我们将键值对传递给put()方法时,它调用建对象的hashCode()方法来计算hashCode值,然后找到bucket位置来储存值对象。当获取对象时,通过建对象的equals()方法找到正确的键值对,然后返回对象。HashMap使用链表来解决碰撞问题,当发生碰撞了,对象将会存储在链表的下一个节点中。

2)LinkedHashMap实现类

  LinkedHashMap使用双向链表来维护key-value对的次序(其实只需要考虑key的次序即可),该链表负责维护Map的迭代顺序,与插入顺序一致,因此性能比HashMap低,但在迭代访问Map里的全部元素时有较好的性能。

3)Properties

  Properties类时Hashtable类的子类,它相当于一个key、value都是String类型的Map,主要用于读取配置文件。

4)TreeMap实现类

  TreeMap是SortedMap的实现类,是一个红黑树的数据结构,每个key-value对作为红黑树的一个节点。TreeMap存储key-value对时,需要根据key对节点进行排序。TreeMap也有两种排序方式:

  ♦ 自然排序:TreeMap的所有key必须实现Comparable接口,而且所有的key应该是同一个类的对象,否则会抛出ClassCastException。

  ♦ 定制排序:创建TreeMap时,传入一个Comparator对象,该对象负责对TreeMap中的所有key进行排序。

5)各Map实现类的性能分析

  ♦ HashMap通常比Hashtable(古老的线程安全的集合)要快

  ♦ TreeMap通常比HashMap、Hashtable要慢,因为TreeMap底层采用红黑树来管理key-value。

  ♦ LinkedHashMap比HashMap慢一点,因为它需要维护链表来爆出key-value的插入顺序。 

本文分享自微信公众号 - Java典籍(helloHBLing),作者:冰湖一角

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原始发表时间:2019-09-22

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