Java集合框架學習

席潤發表於2019-02-18
Java框架

簡介

JDK1.2 引入了 Java 集合框架，包含一組資料結構。所有這些資料結構在 java.util 包裡，包含了 Collection、List、Set、Map、SortedMap 介面。這些介面的實現類有 LinkedList、TreeSet、ArrayList、HashMap 等。

JDK1.8原始碼

Java 集合框架主要包括兩種型別的容器，一種是集合（Collection），儲存一個元素集合，另一種是圖（Map），儲存鍵/值對對映。

java集合框架

集合框架是一個用來代表和操縱集合的統一架構。所有的集合框架都包含如下內容：

  • **介面：**是代表集合的抽象資料型別。例如 Collection、List、Set、Map 等。之所以定義多個介面，是為了以不同的方式操作集合物件
  • **實現（類）：**是集合介面的具體實現。從本質上講，它們是可重複使用的資料結構，例如：ArrayList、LinkedList、HashSet、HashMap。
  • **演算法：**是實現集合介面的物件裡的方法執行的一些有用的計算，例如：搜尋和排序。這些演算法被稱為多型，那是因為相同的方法可以在相似的介面上有著不同的實現。

常用集合介面

Collection 是最基本的集合介面，一個 Collection 代表一組 Object，即 Collection 的元素, Java不提供直接繼承自Collection的類，只提供繼承於的子介面(如List和set)。Collection 介面儲存一組***不唯一***，***無序***的物件。

List介面是一個有序的 Collection，使用此介面能夠精確的控制每個元素插入的位置，能夠通過索引(元素在List中位置，類似於陣列的下標)來訪問List中的元素，第一個元素的索引為 0，而且允許有相同的元素。List 介面儲存一組***不唯一***，有序（插入順序）的物件。

Set 具有與 Collection 完全一樣的介面，只是行為上不同，Set 不儲存重複的元素。Set 介面儲存一組***唯一***，***無序***的物件。

Map 介面儲存一組***鍵值物件***，提供key（鍵）到value（值）的對映。

常用集合實現類

LinkedList

該類實現了List介面，允許有null（空）元素。主要用於建立連結串列資料結構，該類沒有同步方法，如果多個執行緒同時訪問一個List，則必須自己實現訪問同步，解決方法就是在建立List時候構造一個同步的List。例如：

Listlist=Collections.synchronizedList(newLinkedList(...));
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LinkedList 查詢效率低。

ArrayList 該類也是實現了List的介面，實現了可變大小的陣列，隨機訪問和遍歷元素時，提供更好的效能。該類也是非同步的,在多執行緒的情況下不要使用。ArrayList 增長當前長度的50%，插入刪除效率低。

Vector

該類和ArrayList非常相似，但是該類是同步的，可以用在多執行緒的情況，該類允許設定預設的增長長度，預設擴容方式為原來的2倍。

HashSet

該類實現了Set介面，不允許出現重複元素，不保證集合中元素的順序，允許包含值為null的元素，但最多隻能一個。

HashMap

HashMap 是一個雜湊表，它儲存的內容是鍵值對(key-value)對映。 該類實現了Map介面，根據鍵的HashCode值儲存資料，具有很快的訪問速度，最多允許一條記錄的鍵為null，不支援執行緒同步。

Set和List的區別

  • Set 介面例項儲存的是無序的，不重複的資料。List 介面例項儲存的是有序的，可以重複的元素。
  • Set檢索效率低下，刪除和插入效率高，插入和刪除不會引起元素位置改變 <實現類有HashSet,TreeSet>。
  • List和陣列類似，可以動態增長，根據實際儲存的資料的長度自動增長List的長度。查詢元素效率高，插入刪除效率低，因為會引起其他元素位置改變 <實現類有ArrayList,LinkedList,Vector> 。

注意

在Java中任何集合中存放的都是物件，即引用資料型別，基本資料型別不能放到集合中。將基本資料型別放到集合中，這個過程中發生了自動裝箱，從集合中取出了基本資料型別，因為這個過程發生了自動拆箱。裝箱就是自動將基本資料型別轉換為包裝器型別；拆箱就是自動將包裝器型別轉換為基本資料型別

List介面

List是介面不能例項化，可以使用其實現類來例項List型別集合變數。例：

List list = new ArrayList();

實現類
ArrayList

ArrayList是基於動態陣列資料結構的實現，訪問元素速度優於LinkedList。

以陣列實現。節約空間，但陣列有容量限制。超出限制時會增加 50% 容量，用System.arraycopy()複製到新的陣列，因此最好能給出陣列大小的預估值。預設第一次插入元素時建立大小為 10 的陣列。擴容增量：原容量的 0.5倍 + 1。

LinkedList

LinkedList是基於連結串列資料結構的實現，在批量插入或刪除資料時優於ArrayList，但佔用的記憶體空間比較大。

以雙向連結串列實現。連結串列無容量限制，但雙向連結串列本身使用了更多空間，也需要額外的連結串列指標操作。

Vector

Vector類實現了一個動態陣列。初始容量為 10 ，載入因子為 1，擴容增量：原容量的 1倍 。和 ArrayList 很相似，但是兩者是不同的：

  • Vector 是同步訪問的。
  • Vector 包含了許多傳統的方法，這些方法不屬於集合框架。

Vector 類支援 4 種構造方法。

Vector() //建立一個預設的向量，預設大小為 10
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Vector(int size) //建立指定大小的向量
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Vector(int size,int incr) //建立指定大小的向量，並且增量(表示向量每次增加的元素數目)用incr指定。
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Vector(Collection c) //建立一個包含集合 c 元素的向量
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常用方法

List介面繼承自Collection介面，List介面中的很多方法都繼承自Collection介面的。List介面中常用方法如下。

1.操作元素

  • get(int index)：返回List集合中指定位置的元素。
  • set(int index, Object element)：用指定元素替換List集合中指定位置的元素。
  • add(Object element)：在List集合的尾部新增指定的元素。該方法是從Collection集合繼承過來的。
  • add(int index, Object element)：在List集合的指定位置插入指定元素。
  • remove(int index)：移除List集合中指定位置的元素。
  • remove(Object element)：如果List集合中存在指定元素，則從List集合中移除第一次出現的指定元素。該方法是從Collection集合繼承過來的。
  • clear()：從List集合中移除所有元素。該方法是從Collection集合繼承過來的。

2.判斷元素

  • isEmpty()：判斷List集合中是否有元素，沒有返回true，有返回false。該方法是從Collection繼承過來的。
  • contains(Object element)：判斷List集合中是否包含指定元素，包含返回true，不包含返回false。該方法是從Collection集合繼承過來的。

3.查詢元素

  • indexOf(Object o)：從前往後查詢List集合元素，返回第一次出現指定元素的索引，如果此列表不包含該元素，則返回-1。
  • lastIndexOf(Object o)：從後往前查詢List集合元素，返回第一次出現指定元素的索引，如果此列表不包含該元素，則返回-1。

4.其它

  • iterator()：返回迭代器（Iterator）物件，迭代器物件用於遍歷集合。該方法是從Collection繼承過來的。
  • size()：返回List集合中的元素數，返回值是int型別。該方法是從Collection集合繼承過來的。
  • subList(int fromIndex, int toIndex)：返回List集合中指定的 fromIndex（包括 ）和 toIndex（不包括）之間的元素集合，返回值為List集合。
遍歷集合

  集合最常用的操作之一是遍歷，遍歷就是將集合中的每一個元素取出來，進行操作或計算。List集合遍歷有三種方法：

  1. 使用for迴圈遍歷：List集合可以使用for迴圈進行遍歷，for迴圈中有迴圈變數，通過迴圈變數可以訪問List集合中的元素。
  2. 使用for-each迴圈遍歷：for-each迴圈是針對遍歷各種型別集合而推出的，筆者推薦使用這種遍歷方法。
  3. 使用迭代器遍歷：Java提供了多種迭代器，List集合可以使用Iterator和ListIterator迭代器。
// 使用迭代器遍歷
Iterator it = list.iterator();                           
while (it.hasNext()) {                                   
    Object item = it.next();                             
    String s = (String) item;                            
    System.out.println("讀取集合元素: " + s);
}
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注：使用for-each迴圈遍歷和使用迭代器遍歷從集合中取出的元素都是Object型別。

Set介面

Set是介面不能例項化，可以使用其實現類來例項List型別集合變數。例：

Set set = new HashSet();

Set集合是由一串無序的，不能重複的相同型別元素構成的集合。

當不考慮順序，且沒有重複元素時，Set集合和List集合可以互相替換的。

Set幾乎都是內部用一個Map來實現, 因為Map裡的KeySet就是一個Set，而value是假值，全部使用同一個Object。Set的特徵也繼承了那些內部Map實現的特徵。

實現類
HashSet

繼承Set介面，儲存的是無序，唯一的物件。HashSet使用equals來進行物件對比，確定資料是唯一的，如果兩個資料的物件是一致的，那麼HashSet將會把這兩個合併，只儲存一個空間。內部是HashMap來實現。初始容量為 16，載入因子為 0.75 ，擴容增量：原容量的 1倍。

TreeSet

TreeSet 是一個有序的集合，它的作用是提供有序的Set集合。它繼承於AbstractSet抽象類，實現了NavigableSet, Cloneable, java.io.Serializable介面。 TreeSet 繼承於AbstractSet，所以它是一個Set集合，具有Set的屬性和方法。 TreeSet 實現了NavigableSet介面，意味著它支援一系列的導航方法。比如查詢與指定目標最匹配項。 TreeSet 實現了Cloneable介面，意味著它能被克隆。 TreeSet 實現了java.io.Serializable介面，意味著它支援序列化。

TreeSet是基於TreeMap實現的。TreeSet中的元素支援2種排序方式：自然排序 或者 根據建立TreeSet 時提供的 Comparator 進行排序。這取決於使用的構造方法。 TreeSet為基本操作（add、remove 和 contains）提供受保證的 log(n) 時間開銷。 另外，TreeSet是非同步的。 它的iterator 方法返回的迭代器是fail-fast的。

詳見

常用方法

Set介面也繼承自Collection介面，Set介面中大部分都是繼承自Collection介面，這些方法如下。

1.操作元素

  • add(Object element)：在Set集合的尾部新增指定的元素。該方法是從Collection集合繼承過來的。
  • remove(Object element)：如果Set集合中存在指定元素，該方法是從Collection集合繼承過來的。
  • clear()：從Set集合中移除所有元素。該方法是從Collection集合繼承過來的。

2.判斷元素

  • isEmpty()：判斷Set集合中是否有元素，沒有返回true，有返回false。該方法是從Collection集合繼承過來的
  • contains(Object element)：判斷Set集合中是否包含指定元素，包含返回true，不包含返回false。該方法是從Collection集合繼承過來的。

3.其他

  • iterator()：返回迭代器(Iterator)物件，迭代器物件用於遍歷集合。該方法是從Collection集合繼承過來的。
  • size()：返回Set集合中的元素數，返回值是int型別。該方法是從Collection集合繼承過來的。
遍歷集合

Set集合中的元素由於沒有序號，所以不能使用for迴圈進行遍歷，但可以使用for-each迴圈和迭代器進行遍歷。事實上這兩種遍歷方法也是繼承自Collection集合，也就是說所有的Collection集合型別都有這兩種遍歷方式。

Map介面

  Map（對映）集合表示一種非常複雜的集合，允許按照某個鍵來訪問元素。Map集合是由兩個集合構成的，一個是鍵（key）集合，一個是值（value）集合。鍵集合是Set型別，因此不能有重複的元素。而值集合是Collection型別，可以有重複的元素。Map集合中的鍵和值是成對出現的。

Map是介面不能例項化，可以使用其實現類例項化Map型別集合變數，例：

Map map = new HashMap();

實現類
HashMap

以Entry<K,V>陣列實現的雜湊桶陣列，用Key的雜湊值取模桶陣列的大小可得到陣列下標。

插入元素時，如果兩條Key落在同一個桶(（不同的key對應相同的下標）)，Entry用一個next屬性實現多個Entry以單向連結串列存放，後入桶的Entry將next指向桶當前的Entry。

hashmap

查詢雜湊值為17的key時，先定位到第一個雜湊桶，然後以連結串列遍歷桶裡所有元素，逐個比較其key值。

在JDK8裡，新增預設為8的閥值，當一個桶裡的Entry超過閥值，就不以單向連結串列而以紅黑樹來存放以加快Key的查詢速度。

HashTable

和HashMap一樣，Hashtable 也是一個雜湊表，它儲存的內容是鍵值對(key-value)對映。 Hashtable 繼承於Dictionary，實現了Map、Cloneable、java.io.Serializable介面。 Hashtable 的函式都是同步的，所有的讀寫等操作都進行了鎖（synchronized）保護，這意味著它是執行緒安全的。它的key、value都不可以為null。此外，Hashtable中的對映不是有序的。

Hashtable 的例項有兩個引數影響其效能：初始容量 和 載入因子。容量 是雜湊表中桶 的數量，初始容量 就是雜湊表建立時的容量。注意，雜湊表的狀態為 open：在發生“雜湊衝突”的情況下，單個桶會儲存多個條目，這些條目必須按順序搜尋。載入因子 是對雜湊表在其容量自動增加之前可以達到多滿的一個尺度。初始容量和載入因子這兩個引數只是對該實現的提示。關於何時以及是否呼叫 rehash 方法的具體細節則依賴於該實現。 通常，預設載入因子是 0.75, 這是在時間和空間成本上尋求一種折衷。載入因子過高雖然減少了空間開銷，但同時也增加了查詢某個條目的時間（在大多數 Hashtable 操作中，包括 get 和 put 操作，都反映了這一點）。

Hashtable定義了四個構造方法。第一個是：

Hashtable() //預設構造方法
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Hashtable(int size) //建立指定大小的雜湊表
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Hashtable(int size,float fillRatio) //建立了一個指定大小的雜湊表，並且通過fillRatio指定填充比例,填充比例必須介於0.0和1.0之間，它決定了雜湊表在重新調整大小之前的充滿程度
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Hashtable(Map m) //建立了一個以M中元素為初始化元素的雜湊表。雜湊表的容量被設定為M的兩倍。
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TreeMap

TreeMap 是一個有序的key-value集合，它是通過紅黑樹實現的。 TreeMap 繼承於AbstractMap，所以它是一個Map，即一個key-value集合。 TreeMap 實現了NavigableMap介面，意味著它支援一系列的導航方法。比如返回有序的key集合。 TreeMap 實現了Cloneable介面，意味著它能被克隆。 TreeMap 實現了java.io.Serializable介面，意味著它支援序列化。

TreeMap基於紅黑樹（Red-Black tree）實現。該對映根據其鍵的自然順序進行排序，或者根據建立對映時提供的 Comparator 進行排序，具體取決於使用的構造方法。 TreeMap的基本操作 containsKey、get、put 和 remove 的時間複雜度是 log(n) 。 另外，TreeMap是非同步的。 它的iterator 方法返回的迭代器是fail-fastl的。

詳細

常用方法

Map集合中包含兩個集合（鍵和值），所以操作起來比較麻煩，Map介面提供很多方法用來管理和操作集合。主要的方法如下。

1.操作元素

  • get(Object key)：返回指定鍵所對應的值；如果Map集合中不包含該鍵值對，則返回null。
  • put(Object key, Object value)：指定鍵值對新增到集合中。
  • remove(Object key)：移除鍵值對。
  • clear()：移除Map集合中所有鍵值對。

2.判斷元素

  • isEmpty()：判斷Map集合中是否有鍵值對，沒有返回true，有返回false。
  • containsKey(Object key)：判斷鍵集合中是否包含指定元素，包含返回true，不包含返回false。
  • containsValue(Object value)：判斷值集合中是否包含指定元素，包含返回true，不包含返回false。

3.檢視集合

  • keySet()：返回Map中的所有鍵集合，返回值是Set型別。
  • values()：返回Map中的所有值集合，返回值是Collection型別。
  • size()：返回Map集合中鍵值對數。
遍歷集合

  Map集合遍歷與List和Set集合不同，Map有兩個集合，因此遍歷時可以只遍歷值的集合，也可以只遍歷鍵的集合，也可以同時遍歷。這些遍歷過程都可以使用for-each迴圈和迭代器進行遍歷。

java集合框架

推薦：Java 集合系列

主要參考：

[菜鳥教程][Java集合框架]

[ Java學習基礎 ][Java的物件容器 -- 集合]

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