一文看懂Java集合（詳細）

zhkey123發表於2020-12-09

Java

一、陣列與集合

集合、陣列都是對多個資料進行儲存操作的結構，簡稱Java容器。
說明：此時的儲存，主要指的是記憶體層面的儲存，不涉及到持久化的儲存（.txt,.jpg,.avi，資料庫中）
陣列在儲存多個資料方面
1. 特點：
  一旦初始化以後，其長度就確定了。
  陣列一旦定義好，其元素的型別也就確定了。我們也就只能操作指定型別的資料了。比如：String[] arr;int[] arr1;Object[] arr2;
2. 缺點
  一旦初始化以後，其長度就不可修改。
  陣列中提供的方法非常有限，對於新增、刪除、插入資料等操作，非常不便，同時效率不高。
  獲取陣列中實際元素的個數的需求，陣列沒有現成的屬性或方法可用
  陣列儲存資料的特點：有序、可重複。對於無序、不可重複的需求，不能滿足。
集合儲存的優點：解決陣列儲存資料方面的弊端。

二、Collection介面

單例集合框架
Collection介面：單列集合，用來儲存一個一個的物件
1. List介面：儲存有序的、可重複的資料。---->“動態”陣列
  常用實現類：ArrayList、LinkedList、Vector
2. Set介面：儲存無序的、不可重複的資料。 ---->數學中的“集合”
  常用實現類：HashSet、LinkedHashSet、TreeSet
對應圖示：

Collection介面中常用方法

add(Object e):將元素e新增到集合coll中
addAll(Collection coll1):將coll1集合中的元素新增到當前的集合中
size():獲取新增的元素的個數
clear():清空集合元素

isEmpty():判斷當前集合是否為空


@Test
public void test1() {
    Collection coll = new ArrayList();

    //1. add(Object e):將元素e新增到集合coll中
    coll.add("AA");
    coll.add("BB");
    coll.add(123);//自動裝箱
    coll.add(new Date());

    //2. size():獲取新增的元素的個數
    System.out.println(coll.size());//4

    //3. addAll(Collection coll1):將coll1集合中的元素新增到當前的集合中
    Collection coll1 = new ArrayList();
    coll1.add(456);
    coll1.add("CC");
    coll.addAll(coll1);

    System.out.println(coll.size());//6
    System.out.println(coll);//[AA, BB, 123, Fri Dec 04 21:10:12 CST 2020, 456, CC]

    //4. clear():清空集合元素
    coll.clear();

    //5. isEmpty():判斷當前集合是否為空
    System.out.println(coll.isEmpty());//true

}

contains(Object obj)：判斷當前集合中是否包含obj,我們在判斷是會呼叫obj物件所在類的equals()

containsAll(Collection coll1)：判斷形參coll1中的所有元素是否都存在於當前集合中

@Test
public void test2(){
    Collection coll = new ArrayList();
    coll.add(123);
    coll.add(456);
    coll.add(new String("Tom"));
    coll.add(false);
    coll.add(new Person("Jerry",20));

    //6. contains(Object obj)：判斷當前集合中是否包含obj,我們在判斷是會呼叫obj物件所在類的equals()
    boolean contains = coll.contains(123);
    System.out.println(contains);//true
    System.out.println(coll.contains(new String("Tom")));//true
    System.out.println(coll.contains(new Person("Jerry",20)));//false，要使它變成true，在Person中重寫equals()方法

    //7. containsAll(Collection coll1)：判斷形參coll1中的所有元素是否都存在於當前集合中
    Collection coll1 = Arrays.asList(123,456);
    System.out.println(coll.containsAll(coll1));//true

}

remove(Object obj)：從當前集合中移除obj元素。移除成功返回true，移除失敗返回false。

removeAll(Collection coll1)：差集：從當前集合中移除coll1中所有的元素

@Test
public void test3(){
	//8. remove(Object obj)：從當前集合中移除obj元素。移除成功返回true，移除失敗返回false。
	Collection coll = new ArrayList();
	coll.add(123);
	coll.add(456);
	coll.add(new String("Tom"));
	coll.add(false);
	coll.add(new Person("Jerry",20));
	
	coll.remove(1234);
	System.out.println(coll);//[123, 456, Tom, false, Person{name='Jerry', age=20}]
	
	coll.remove(new Person("Jerry",20));
	System.out.println(coll);//[123, 456, Tom, false]
	
	//9. removeAll(Collection coll1)：差集：從當前集合中移除coll1中所有的元素
	Collection coll1 = Arrays.asList(123,4567);
	coll.removeAll(coll1);
	System.out.println(coll);//[456, Tom, false]

}

retainAll(Collection coll1)：交集：獲取當前集合和coll1集合的交集，並返回給當前集合

equals(Object obj)：要想返回true，需要當前集合和形參集合的元素都相同

@Test
public void test4(){
    Collection coll = new ArrayList();
    coll.add(123);
    coll.add(456);
    coll.add(new String("Tom"));
    coll.add(false);
    coll.add(new Person("Jerry",20));

    //10. retainAll(Collection coll1)：交集：獲取當前集合和coll1集合的交集，並返回給當前集合
//        Collection coll1 = Arrays.asList(123,456,789);
//        coll.retainAll(coll1);
//        System.out.println(coll);//[123, 456]

    //11. equals(Object obj)：要想返回true，需要當前集合和形參集合的元素都相同
    Collection coll1 = new ArrayList();
    coll1.add(123);
    coll1.add(456);
    coll1.add(new String("Tom"));
    coll1.add(false);
    coll1.add(new Person("Jerry",20));

    System.out.println(coll.equals(coll1));//true

}

hashCode()：返回當前物件的雜湊值
集合 —> 陣列：toArray()
擴充：陣列 —>集合:呼叫Arrays類的靜態方法asList(T … t)，程式碼如下

iterator()：返回Iterator介面的例項，用於遍歷集合元素

@Test
public void test5(){
    Collection coll = new ArrayList();
    coll.add(123);
    coll.add(456);
    coll.add(new String("Tom"));
    coll.add(false);
    coll.add(new Person("Jerry",20));

    //12. hashCode()：返回當前物件的雜湊值
    System.out.println(coll.hashCode());//1560300821

    //13. 集合 ---> 陣列：toArray()
    Object[] arr = coll.toArray();
    for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
        System.out.println(arr[i]);
//            123
//            456
//            Tom
//            false
//            Person{name='Jerry', age=20}
    }
    //擴充：陣列 ---> 集合：呼叫Arrays類的靜態方法asList(T ... t)
    List<String> strings = Arrays.asList("AA", "BB", "CC");
    System.out.println(strings);//[AA, BB, CC]
    //注意細節
    List arr1 = Arrays.asList(new int[]{123, 456});
    System.out.println(arr1.size());//1
    List arr2 = Arrays.asList(new Integer[]{123, 456});
    System.out.println(arr2.size());//2

    //14. iterator()：返回Iterator介面的例項，用於遍歷集合元素。放在IteratorTest中測試
}

注：使用Collection集合儲存物件，要求物件所屬的類滿足：向Collection介面的實現類的物件中新增資料obj時，要求obj所在類要重寫equals()

三、Iterator介面和foreach迴圈

遍歷Collection的兩種方式：
① 使用迭代器Iterator
② foreach迴圈（或增強for迴圈）

java.utils包下定義的迭代器介面：Iterator

作用：遍歷集合Collectiton元素
內部的方法：hasNext() 和 nest()
如何讓獲取例項：coll.iterator()返回一個迭代器例項

遍歷程式碼實現：

Iterator iterator = coll.iterator();
//hasNext()：判斷是否還有下一個元素
while (iter.hasNext()) {
    //next()：①指標下移 ②將下移以後集合位置上的元素返回
    System.out.println(iter.next());
}

集合物件每次呼叫iterator()方法都得到一個全新的迭代器物件，預設遊標都在集合的第一個元素之前，圖示如下

內部定義了remove()，可以在遍歷時，刪除集合中的元素。此方法不同於集合直接呼叫remove()

//測試Iterator中的remove()
//如果還未呼叫next()或在上一次呼叫 next 方法之後已經呼叫了 remove 方法，再呼叫remove都會報IllegalStateException。
//內部定義了remove(),可以在遍歷的時候，刪除集合中的元素。此方法不同於集合直接呼叫remove()
@Test
public void test3(){
    Collection coll = new ArrayList();
    coll.add(123);
    coll.add(456);
    coll.add(new Person("Jerry",20));
    coll.add(new String("Tom"));
    coll.add(false);

    //刪除集合中"Tom"
    Iterator iterator = coll.iterator();
    while (iterator.hasNext()){
//            iterator.remove();
        Object obj = iterator.next();
        if("Tom".equals(obj)){
            iterator.remove();
//                iterator.remove();
        }

    }
    //遍歷集合
    iterator = coll.iterator();
    while (iterator.hasNext()){
        System.out.println(iterator.next());
    }
}

jdk5.0新特性–增強for迴圈：(foreach迴圈)

遍歷集合舉例：內部仍然使用了迭代器

@Test
public void test1(){
    Collection coll = new ArrayList();
    coll.add(123);
    coll.add(456);
    coll.add(new Person("Jerry",20));
    coll.add(new String("Tom"));
    coll.add(false);

    //for(集合元素的型別 區域性變數 : 集合物件)
    
    for(Object obj : coll){
        System.out.println(obj);
    }
}

遍歷陣列舉例：

@Test
public void test2(){
    int[] arr = new int[]{1,2,3,4,5,6};
    //for(陣列元素的型別 區域性變數 : 陣列物件)
    for(int i : arr){
        System.out.println(i);
    }
}

四、Collection子介面：List介面

儲存的資料特點：儲存有序的、可重複的資料。
常用實現類：
1. ArrayList：作為List介面的主要實現類；執行緒不安全的，效率高；底層使用Object[] elementData儲存
2. LinkedList：對於頻繁的插入、刪除操作，使用此類效率比ArrayList高；底層使用雙向連結串列儲存
3. Vector：作為List介面的古老實現類；執行緒安全的，效率低；底層使用Object[] elementData儲存
原始碼分析(難點)
1. ArrayList的原始碼分析：
  1. jdk 7情況下
    ArrayList list = new ArrayList();//底層建立了長度是10的Object[]陣列elementData
    list.add(123);//elementData[0] = new Integer(123);
    …
    list.add(11);//如果此次的新增導致底層elementData陣列容量不夠，則擴容。
    預設情況下，擴容為原來容量的1.5倍，同時需要將原有陣列中的資料複製到新陣列中
    結論：建議開發中使用帶參的構造器：ArrayList list = new ArrayList(int capacity)
  2. jdk 8中ArrayList的變化：
    ArrayList list = new ArrayList();//底層Object[] elementData初始化為{}.並沒建立長度為 10的陣列
    list.add(123);//第一次呼叫add()時，底層才建立了長度10的陣列，並將資料123新增到elementData[0]
    …
    後續的新增和擴容操作與jdk 7 無異。
  3. 小結：jdk7中的ArrayList的物件的建立類似於單例的餓漢式，而jdk8中的ArrayList的物件的建立類似於單例的懶漢式，延遲了陣列的建立，節省記憶體。
2. LinkedList的原始碼分析：
  LinkedList list = new LinkedList();//內部宣告瞭Node型別的first和last屬性，預設值為null
  list.add(123);//將123封裝到Node中，建立了Node物件
  其中，Node定義為：體現了LinkedList雙向連結串列的說法
```
private static class Node<E> {
	E item;
	Node<E> next;
	Node<E> prev;
	
	Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
		this.item = element;
		this.next = next;
		this.prev = prev;
	}
}
```
3. Vector的原始碼分析：
  jdk7和jdk8中通過Vector()構造器建立物件時，底層都建立了長度為10的陣列。
  在擴容方面，預設擴容為原來的陣列長度的2倍。

List介面中的常用方法

void add(int index, Object ele):在index位置插入ele元素

	ArrayList list = new ArrayList();
    list.add(123);
    list.add(456);
    list.add("AA");
    list.add(new Person("Tom",12));
    list.add(456);

    System.out.println(list);//[123, 456, AA, Person{name='Tom', age=12}, 456]

    //void add(int index, Object ele):在index位置插入ele元素
    list.add(1,"BB");
    System.out.println(list);//[123, BB, 456, AA, Person{name='Tom', age=12}, 456]

boolean addAll(int index, Collection eles):從index位置開始將eles中的所有元素新增進來

	//boolean addAll(int index, Collection eles):從index位置開始將eles中的所有元素新增進來
	List list1 = Arrays.asList(1,2,3);
	list.addAll(list1);
	System.out.println(list.size());//9
	System.out.println(list);//[123, BB, 456, AA, Person{name='Tom', age=12}, 456, 1, 2, 3]

Object get(int index):獲取指定index位置的元素

 	//Object get(int index):獲取指定index位置的元素
	System.out.println(list.get(3));//3

int indexOf(Object obj):返回obj在集合中首次出現的位置

	//int indexOf(Object obj):返回obj在集合中首次出現的位置，如果不存在返回-1
	System.out.println(list.indexOf(456));//2
	System.out.println(list.indexOf(789));//-1

int lastIndexOf(Object obj):返回obj在當前集合中末次出現的位置

	//int lastIndexOf(Object obj):返回obj在當前集合中末次出現的位置
	System.out.println(list.lastIndexOf(456));//5

Object remove(int index):移除指定index位置的元素，並返回此元素

	// Object remove(int index):移除指定index位置的元素，並返回此元素
	Object re = list.remove(1);
	System.out.println(re);//BB
	System.out.println(list);//[123, 456, AA, Person{name='Tom', age=12}, 456, 1, 2, 3]

Object set(int index, Object ele):設定指定index位置的元素為ele

	// Object set(int index, Object ele):設定指定index位置的元素為ele.返回被替換的元素
	Object re1 = list.set(1, "CC");
	System.out.println(re1);//456
	System.out.println(list);//[123, CC, AA, Person{name='Tom', age=12}, 456, 1, 2, 3]

List subList(int fromIndex, int toIndex):返回從fromIndex到toIndex位置的子集合

	//List subList(int fromIndex, int toIndex):返回從fromIndex到toIndex位置的子集合,
	// 左閉右開，不包含toIndex位置，不會改變原有集合；
	System.out.println(list.subList(3, 5));//[Person{name='Tom', age=12}, 456]
	System.out.println(list);//[123, CC, AA, Person{name='Tom', age=12}, 456, 1, 2, 3]

總結：常用方法
增：add(Object obj)
刪：remove(int index) / remove(Object obj)
改：set(int index,Object obj)
查：get(int index)
插：add(int index,Object obj),add(int index,Collection coll)
長度：size()
遍歷：① Iterator迭代器方式
② 增強for迴圈：foreach
③ 普通的迴圈

@Test
    public void test2(){
        ArrayList list = new ArrayList();
        list.add(123);
        list.add(456);
        list.add("AA");

        //方式一：Iterator迭代器方式
        Iterator iterator = list.iterator();
        while (iterator.hasNext()) {
            System.out.println(iterator.next());
        }

        System.out.println("*****************************");

        //方式二：增強for迴圈
        for (Object o: list) {
            System.out.println(o);
        }

        System.out.println("*****************************");

        //方式三：普通for迴圈
        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            System.out.println(list.get(i));
        }
    }

 [面試題]
 *  面試題：ArrayList、LinkedList、Vector者的異同？
 *  同：三個類都是實現了List介面，儲存資料的特點相同：儲存序的、可重複的資料
 *  不同：見上（第2部分+第3部分）

五、Collection子介面：Set介面

儲存的資料特點：無序的、不可重複的元素
以HashSet為例說明
1. 無序的：不等於隨機性。儲存的資料在底層陣列中並非按照陣列索引的順序新增，而是根據資料的雜湊值新增
2. 不可重複的：保證新增的元素按照equals()判斷時，不能返回true。即：相同的元素只能新增一個

元素新增過程： (以HashSet為例)

我們向HashSet中新增元素a，首先呼叫元素a所在類的hashCode()方法，計算元素a的雜湊值，
此雜湊值通過某種雜湊函式計算出在HashSet底層陣列中的存放位置（即為：索引位置），判斷
陣列此位置上是否已經有元素：
	如果此位置上沒有其他元素，則元素a新增成功。---->情況1
	如果此位置上有其他元素b（或以連結串列形式存在的多個元素），則比較元素a與元素b的hash值：
		如果hash值不同，則元素a新增成功。---->情況2
        如果hash值相同，進而需要呼叫元素a所在類的equals()方法：
			equals()返回true，元素a新增失敗
            equals()返回false，則元素a新增成功。---->情況3

對於新增成功的情況2和情況3而言：元素a與已經存在指定索引位置上資料一連結串列的方式儲存。
jak 7：新新增的元素放到陣列中，指向原來的元素
jdk 8：原來的元素在陣列中，指向新新增的元素

HashSet底層：陣列+連結串列的結構（前提：jdk7）

常用方法
Set介面中沒額外定義新的方法，使用的都是Collection中宣告過的方法。

常用實現類：

HashSet：作為Set介面的主要實現類：執行緒不安全的；可以儲存null值

@Test
public void test1(){
    Set set = new HashSet();
    set.add(456);
    set.add(123);
    set.add("AA");
    set.add("CC");
    set.add(new User("Tom",12));
    set.add(new User("Tom",12));//體現不可重複性
    set.add(129);

    Iterator iterator = set.iterator();
    while (iterator.hasNext()){
        System.out.print(iterator.next() + " ");//AA CC 129 456 123 User{name='Tom', age=12}
    }

}

LinkedHashSet：作為HashSet的子類；遍歷其內部資料時，可以按照新增的順序遍歷。
在新增資料的同時，每個資料還維護了兩個引用，記錄此資料的前一個資料和後一個資料
對於頻繁的遍歷操作，LinkedHashSet效率高於HashSet

@Test
public void test2(){
    Set set = new LinkedHashSet();
    set.add(456);
    set.add(123);
    set.add("AA");
    set.add("CC");
    set.add(new User("Tom",12));
    set.add(new User("Tom",12));//體現不可重複性
    set.add(129);

    Iterator iterator = set.iterator();
    while (iterator.hasNext()){
        System.out.print(iterator.next() + " ");//456 123 AA CC User{name='Tom', age=12} 129
    }

}

要求：

向Set中新增的資料，其所在類一定要重寫hashCode()和equals()
重寫的hashCode()和equals()儘可能保持一致性：相等的物件必須具有相同的雜湊碼
重寫兩個方法的小技巧：物件中用作equals()方法比較的Filed，都應該用來計算hashCode值

TreeSet：可以按照新增物件的指定屬性，進行排序
使用說明:

向TreeSet中新增資料，要求是相同類的物件

兩種排序方式：
自然排序（實現Comparable介面）中，比較兩個物件是否相同的標準為：compareTo()返回0，不再是equals()

@Test
public void test1(){
    TreeSet set = new TreeSet();

    //失敗：不能新增不同類的物件
//        set.add(123);
//        set.add(456);
//        set.add("AA");
//        set.add(new User("Tom",12));

        //舉例一：
//        set.add(34);
//        set.add(-34);
//        set.add(43);
//        set.add(11);
//        set.add(8);

    //舉例二：
    set.add(new User("Tom",12));
    set.add(new User("Jerry",32));
    set.add(new User("Jim",2));
    set.add(new User("Mike",65));
    set.add(new User("Jack",33));
    set.add(new User("Jack",56));


    Iterator iterator = set.iterator();
    while(iterator.hasNext()){
        System.out.println(iterator.next());
    }

}

User.java

package com.zhkey.Learn1;

/**
 * @author zhkey
 * @create 2020-12-08
 */
public class User implements Comparable {
    private String name;
    private int age;

    public User() {
    }

    public User(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "User{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", age=" + age +
                '}';
    }

    @Override
    public boolean equals(Object o) {
        if (this == o) return true;
        if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false;

        User user = (User) o;

        if (age != user.age) return false;
        return name != null ? name.equals(user.name) : user.name == null;
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        int result = name != null ? name.hashCode() : 0;
        result = 31 * result + age;
        return result;
    }

    //按照姓名從小到大排列，年齡從小到大排列
    @Override
    public int compareTo(Object o) {
        if(o instanceof User){
            User user = (User)o;
//            return this.name.compareTo(user.name);
            int compare = this.name.compareTo(user.name);
            if(compare != 0){
                return compare;
            }else{
                return Integer.compare(this.age,user.age);
            }
        }else{
            throw new RuntimeException("輸入的型別不匹配");
        }
    }

}

定製排序中，比較兩個物件是否相同的標準為：compare()返回0，不再是equals()

@Test
    public void test2(){
        Comparator com = new Comparator() {
        //照年齡從小到大排列
            @Override
            public int compare(Object o1, Object o2) {
                if(o1 instanceof User && o2 instanceof User){
                    User u1 = (User)o1;
                    User u2 = (User)o2;
                    return Integer.compare(u1.getAge(),u2.getAge());
                }else{
                    throw new RuntimeException("輸入的資料型別不匹配");
                }
            }
        };
        TreeSet treeSet = new TreeSet(com);

        treeSet.add(new User("Tom",12));
        treeSet.add(new User("Jerry",18));
        treeSet.add(new User("Leon",20));
        treeSet.add(new User("Messi",15));
        treeSet.add(new User("Jack",33));
        treeSet.add(new User("Jack",55));
        treeSet.add(new User("Marry",55));

        Iterator iterator = treeSet.iterator();
        while (iterator.hasNext()){
            System.out.println(iterator.next());
        }
    }

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