Java集合框架List，Map，Set等

taozihk發表於2016-05-17
Java框架
Java Collections Framework是Java提供的對集合進行定義，操作，和管理的包含一組介面，類的體系結構。
 
Java集合框架的基本介面/類層次結構：

java.util.Collection [I]
+--java.util.List [I]
   +--java.util.ArrayList [C]
   +--java.util.LinkedList [C]
   +--java.util.Vector [C]
      +--java.util.Stack [C]
+--java.util.Set [I]
   +--java.util.HashSet [C]
   +--java.util.SortedSet [I]
      +--java.util.TreeSet [C]

java.util.Map [I]
+--java.util.SortedMap [I]
   +--java.util.TreeMap [C]
+--java.util.Hashtable [C]
+--java.util.HashMap [C]
+--java.util.LinkedHashMap [C]
+--java.util.WeakHashMap [C]
 
[I]：介面
[C]：類

 
Collection介面
    Collection是最基本的集合介面，一個Collection代表一組Object的集合，這些Object被稱作Collection的元素。
    所有實現Collection介面的類都必須提供兩個標準的建構函式：無引數的建構函式用於建立一個空的Collection，有一個Collection引數的建構函式用於建立一個新的Collection，這 個新的Collection與傳入的Collection有相同的元素。後一個建構函式允許使用者複製一個Collection。
    如何遍歷Collection中的每一個元素？不論Collection的實際型別如何，它都支援一個iterator()的方法，該方法返回一個迭代子，使用該迭代子即可逐一訪問Collection中每一個元素。典型的用法如下：
Iterator it = collection.iterator(); // 獲得一個迭代子 
while(it.hasNext()) { 
　　Object obj = it.next(); // 得到下一個元素 
}

根據用途的不同，Collection又劃分為List與Set。
 
List介面
    List繼承自Collection介面。List是有序的Collection，使用此介面能夠精確的控制每個元素插入的位置。使用者能夠使用索引（元素在List中的位置，類似於陣列下標）來訪問List中的元素，這類似於Java的陣列。
    跟Set集合不同的是，List允許有重複元素。對於滿足e1.equals(e2)條件的e1與e2物件元素，可以同時存在於List集合中。當然，也有List的實現類不允許重複元素的存在。
    除了具有Collection介面必備的iterator()方法外，List還提供一個listIterator()方法，返回一個 ListIterator介面，和標準的Iterator介面相比，ListIterator多了一些add()之類的方法，允許新增，刪除，設定元素， 還能向前或向後遍歷。
    實現List介面的常用類有LinkedList，ArrayList，Vector和Stack。
 
LinkedList類
    LinkedList實現了List介面，允許null元素。此外LinkedList提供額外的get，remove，insert方法在 LinkedList的首部或尾部。這些操作使LinkedList可被用作堆疊（stack），佇列（queue）或雙向佇列（deque）。
    注意LinkedList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。一種解決方法是在建立List時構造一個同步的List：
List list = Collections.synchronizedList(new LinkedList(...));

ArrayList類
    ArrayList實現了可變大小的陣列。它允許所有元素，包括null。ArrayList沒有同步。
size，isEmpty，get，set方法執行時間為常數。但是add方法開銷為分攤的常數，新增n個元素需要O(n)的時間。其他的方法執行時間為線性。
    每個ArrayList例項都有一個容量（Capacity），即用於儲存元素的陣列的大小。這個容量可隨著不斷新增新元素而自動增加，但是增長演算法並 沒有定義。當需要插入大量元素時，在插入前可以呼叫ensureCapacity方法來增加ArrayList的容量以提高插入效率。
    和LinkedList一樣，ArrayList也是非同步的（unsynchronized）。
 
Vector類
    Vector非常類似ArrayList，但是Vector是同步的。由Vector建立的Iterator，雖然和ArrayList建立的 Iterator是同一介面，但是，因為Vector是同步的，當一個Iterator被建立而且正在被使用，另一個執行緒改變了Vector的狀態（例如，新增或刪除了一些元素），這時呼叫Iterator的方法時將丟擲ConcurrentModificationException，因此必須捕獲該異常。
 
Stack 類
    Stack繼承自Vector，實現一個後進先出的堆疊。Stack提供5個額外的方法使得Vector得以被當作堆疊使用。基本的push和pop方 法，還有peek方法得到棧頂的元素，empty方法測試堆疊是否為空，search方法檢測一個元素在堆疊中的位置。Stack剛建立後是空棧。
 
Set介面
    Set繼承自Collection介面。Set是一種不能包含有重複元素的集合，即對於滿足e1.equals(e2)條件的e1與e2物件元素，不能同時存在於同一個Set集合裡，換句話說，Set集合裡任意兩個元素e1和e2都滿足e1.equals(e2)==false條件，Set最多有一個null元素。
     因為Set的這個制約，在使用Set集合的時候，應該注意：
    1，為Set集合裡的元素的實現類實現一個有效的equals(Object)方法。
    2，對Set的建構函式，傳入的Collection引數不能包含重複的元素。
 
    請注意：必須小心操作可變物件（Mutable Object）。如果一個Set中的可變元素改變了自身狀態導致Object.equals(Object)=true將導致一些問題。
 
HashSet類
    此類實現 Set 介面，由雜湊表（實際上是一個 HashMap 例項）支援。它不保證集合的迭代順序；特別是它不保證該順序恆久不變。此類允許使用 null 元素。
    HashSet不是同步的，需要用以下語句來進行S同步轉換：
            Set s = Collections.synchronizedSet(new HashSet(...));
 
Map介面
    Map沒有繼承Collection介面。也就是說Map和Collection是2種不同的集合。Collection可以看作是（value）的集合，而Map可以看作是（key，value）的集合。
    Map介面由Map的內容提供3種型別的集合檢視，一組key集合，一組value集合，或者一組key-value對映關係的集合。
 
Hashtable類
    Hashtable繼承Map介面，實現一個key-value對映的雜湊表。任何非空（non-null）的物件都可作為key或者value。
    新增資料使用put(key, value)，取出資料使用get(key)，這兩個基本操作的時間開銷為常數。
Hashtable 通過initial capacity和load factor兩個引數調整效能。通常預設的load factor 0.75較好地實現了時間和空間的均衡。增大load factor可以節省空間但相應的查詢時間將增大，這會影響像get和put這樣的操作。
使用Hashtable的簡單示例如下，將1，2，3放到Hashtable中，他們的key分別是”one”，”two”，”three”：
Hashtable numbers = new Hashtable(); 
numbers.put("one", new Integer(1)); 
numbers.put("two", new Integer(2)); 
numbers.put("three", new Integer(3));

要取出一個數，比如2，用相應的key：
Integer n = (Integer)numbers.get("two"); 
System.out.println("two =" + n);

    由於作為key的物件將通過計算其雜湊函式來確定與之對應的value的位置，因此任何作為key的物件都必須實現hashCode和equals方 法。hashCode和equals方法繼承自根類Object，如果你用自定義的類當作key的話，要相當小心，按照雜湊函式的定義，如果兩個物件相 同，即obj1.equals(obj2)=true，則它們的hashCode必須相同，但如果兩個物件不同，則它們的hashCode不一定不同，如 果兩個不同物件的hashCode相同，這種現象稱為衝突，衝突會導致操作雜湊表的時間開銷增大，所以儘量定義好的hashCode()方法，能加快雜湊 表的操作。
    如果相同的物件有不同的hashCode，對雜湊表的操作會出現意想不到的結果（期待的get方法返回null），要避免這種問題，只需要牢記一條：要同時複寫equals方法和hashCode方法，而不要只寫其中一個。
    Hashtable是同步的。
 
HashMap類
    HashMap和Hashtable類似，不同之處在於HashMap是非同步的，並且允許null，即null value和null key。，但是將HashMap視為Collection時（values()方法可返回Collection），其迭代子操作時間開銷和HashMap 的容量成比例。因此，如果迭代操作的效能相當重要的話，不要將HashMap的初始化容量設得過高，或者load factor過低。
 
WeakHashMap類
    WeakHashMap是一種改進的HashMap，它對key實行“弱引用”，如果一個key不再被外部所引用，那麼該key可以被GC回收。
 
對集合操作的工具類
    Java提供了java.util.Collections，以及java.util.Arrays類簡化對集合的操作
    java.util.Collections主要提供一些static方法用來操作或建立Collection，Map等集合。
    java.util.Arrays主要提供static方法對陣列進行操作。。
 
總結
    如果涉及到堆疊，佇列等操作，應該考慮用List，對於需要快速插入，刪除元素，應該使用LinkedList，如果需要快速隨機訪問元素，應該使用ArrayList。
    如果程式在單執行緒環境中，或者訪問僅僅在一個執行緒中進行，考慮非同步的類，其效率較高，如果多個執行緒可能同時操作一個類，應該使用同步的類。
    在除需要排序時使用TreeSet,TreeMap外,都應使用HashSet,HashMap,因為他們 的效率更高。
    要特別注意對雜湊表的操作，作為key的物件要正確複寫equals和hashCode方法。
 
    容器類僅能持有物件引用（指向物件的指標），而不是將物件資訊copy一份至數列某位置。一旦將物件置入容器內，便損失了該物件的型別資訊。
    儘量返回介面而非實際的型別，如返回List而非ArrayList，這樣如果以後需要將ArrayList換成LinkedList時，客戶端程式碼不用改變。這就是針對抽象程式設計。
 
注意：
1、Collection沒有get()方法來取得某個元素。只能通過iterator()遍歷元素。
2、Set和Collection擁有一模一樣的介面。
3、List，可以通過get()方法來一次取出一個元素。使用數字來選擇一堆物件中的一個，get(0)...。(add/get)
4、一般使用ArrayList。用LinkedList構造堆疊stack、佇列queue。
5、Map用 put(k,v) / get(k)，還可以使用containsKey()/containsValue()來檢查其中是否含有某個key/value。
      HashMap會利用物件的hashCode來快速找到key。
6、Map中元素，可以將key序列、value序列單獨抽取出來。
使用keySet()抽取key序列，將map中的所有keys生成一個Set。
使用values()抽取value序列，將map中的所有values生成一個Collection。
為什麼一個生成Set，一個生成Collection？那是因為，key總是獨一無二的，value允許重複。

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