编程学习记录-Java-集合

一、集合框架的概述

集合、数组都是对多个数据进行存储操作的结构，简称Java容器。说明：此时的存储，主要指的是内存层面的存储，不涉及到持久化的存储（.txt,.jpg,.avi，数据库中）
数组在存储多个数据方面的特点：
- 一旦初始化以后，其长度就确定了。
- 数组一旦定义好，其元素的类型也就确定了。我们也就只能操作指定类型的数据了。
- 比如：String[] arr;int[] arr1;Object[] arr2;
数组在存储多个数据方面的缺点：
- 一旦初始化以后，其长度就不可修改。
- 数组中提供的方法非常有限，对于添加、删除、插入数据等操作，非常不便，同时效率不高。
- 获取数组中实际元素的个数的需求，数组没有现成的属性或方法可用
- 数组存储数据的特点：有序、可重复。对于无序、不可重复的需求，不能满足。

二、集合框架

Collection接口：单列集合，用来存储一个一个的对象
- List接口：存储有序的、可重复的数据。
  - ArrayList、LinkedList、Vector
- Set接口：存储无序的、不可重复的数据
  - HashSet、LinkedHashSet、TreeSet
Map接口：双列集合，用来存储一对(key - value)一对的数据
- HashMap、LinkedHashMap、TreeMap、Hashtable、Properties

三、Collection接口中的方法的使用

class CollectionTest {
    public static void main(String[] args) {
        Collection<String> strings = new ArrayList<>();
        Collection<String> tmp = new ArrayList<>();
        //add() 添加
        strings.add("123");
        tmp.add("456");
        tmp.add("789");
        //addAll() 添加另一个集合中的所有元素
        strings.addAll(tmp);
        //size() 获取集合中元素的个数
        System.out.println(strings.size());
        System.out.println(strings);
        //contains() 是否包含某个元素
        System.out.println(strings.contains("123"));
        //contains() 是否包含另一个集合中的所有元素
        System.out.println(strings.containsAll(tmp));
        //clear() 清空集合
        strings.clear();
        System.out.println(strings);
        //isEmpty() 判断集合中有没有元素
        System.out.println(strings.isEmpty());
        strings.addAll(tmp);
        //remove() 移除指定元素
        strings.remove("456");
        System.out.println(strings);
        //removeAll() 从当前集合中移除另一个集合中的所有元素
        strings.removeAll(tmp);
        //hashCode() 返回当前对象的哈希值
        System.out.println(strings.hashCode());
        //equals() 判断两个集合是否相等
        System.out.println(strings.equals(tmp));
        //toArray() 将集合转化为数组
        Object[] objects = strings.toArray();
    }
}

四、List接口的实现类

ArrayList

ArrayList的源码分析

JDK7

ArrayList list = new ArrayList();//底层创建了长度是10的Object[]数组elementData
list.add(123);//elementData[0] = new Integer(123);
…
list.add(11);//如果此次的添加导致底层elementData数组容量不够，则扩容。
默认情况下，扩容为原来的容量的1.5倍，同时需要将原有数组中的数据复制到新的数组中。
结论：建议开发中使用带参的构造器：ArrayList list = new ArrayList(int capacity)

JDK8中ArrayList的变化：

ArrayList list = new ArrayList();//底层Object[] elementData初始化为{}.并没有创建长度为10的数组
list.add(123);//第一次调用add()时，底层才创建了长度10的数组，并将数据123添加到elementData[0]
后续的添加和扩容操作与jdk 7 无异。

小结

jdk7中的ArrayList的对象的创建类似于单例的饿汉式，而jdk8中的ArrayList的对象的创建类似于单例的懒汉式，延迟了数组的创建，节省内存。

LinkedList

LinkedList的源码分析

LinkedList list = new LinkedList(); 内部声明了Node类型的first和last属性，默认值为null
list.add(123);//将123封装到Node中，创建了Node对象。

其中，Node定义为：体现了LinkedList的双向链表的说法

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;
    }
}

Vector

Vector的源码分析

jdk7和jdk8中通过Vector()构造器创建对象时，底层都创建了长度为10的数组。
在扩容方面，默认扩容为原来的数组长度的2倍。

三者的异同

相同点
- 都是实现了List接口
- 存储数据的特点相同，都是存储有序的、可重复的数据
不同点
- ArrayList：线程不安全的，效率高；底层使用Object[]存储
- LinkedList：对于频繁的插入删除操作，使用此类效率比ArrayList高；底层使用双向链表存储
- Vector：线程安全的，效率低；底层使用Object[]存储

List接口中的常用方法

void add(int index, Object ele):在index位置插入ele元素
boolean addAll(int index, Collection eles):从index位置开始将eles中的所有元素添加进来
Object get(int index):获取指定index位置的元素
int indexOf(Object obj):返回obj在集合中首次出现的位置
int lastIndexOf(Object obj):返回obj在当前集合中末次出现的位置
Object remove(int index):移除指定index位置的元素，并返回此元素
Object set(int index, Object ele):设置指定index位置的元素为ele
List subList(int fromIndex, int toIndex):返回从fromIndex到toIndex位置的子集合

总结：常用方法

增：add(Object obj)
删：remove(int index) / remove(Object obj)
改：set(int index, Object ele)
查：get(int index)
插：add(int index, Object ele)
长度：size()
遍历
- Iterator迭代器方式
- 增强for循环
- 普通的循环

五、Set接口的实现类

1.Set接口的实现类的结构

Collection接口：单列集合，用来存储一个一个的对象
- Set接口：存储无序的、不可重复的数据 –>高中讲的“集合”
  - HashSet：作为Set接口的主要实现类；线程不安全的；可以存储null值
    - LinkedHashSet：作为HashSet的子类；遍历其内部数据时，可以按照添加的顺序遍历，对于频繁的遍历操作，LinkedHashSet效率高于HashSet.
  - TreeSet：可以按照添加对象的指定属性，进行排序。

2.Set接口的注意事项

Set接口中没有额外定义新的方法，使用的都是Collection中声明过的方法。
向Set(主要指：HashSet、LinkedHashSet)中添加的数据，其所在的类一定要重写hashCode()和equals()
重写的hashCode()和equals()尽可能保持一致性：相等的对象必须具有相等的散列码
重写两个方法的小技巧：对象中用作 equals() 方法比较的 Field，都应该用来计算 hashCode 值。
Set：存储无序的、不可重复的数据
- 无序性：不等于随机性。存储的数据在底层数组中并非按照数组索引的顺序添加，而是根据数据的哈希值决定的。
- 不可重复性：保证添加的元素按照equals()判断时，不能返回true.即：相同的元素只能添加一个。

3.HashSet

添加元素的过程
我们向HashSet中添加元素a,首先调用元素a所在类的hashCode()方法，计算元素a的哈希值，此哈希值接着通过某种算法计算出在HashSet底层数组中的存放位置（即为：索引位置），判断数组此位置上是否已经有元素：
- 如果此位置上没有其他元素，则元素a添加成功。 —>情况1
- 如果此位置上有其他元素b(或以链表形式存在的多个元素），则比较元素a与元素b的hash值：
  - 如果hash值不相同，则元素a添加成功。—>情况2
  - 如果hash值相同，进而需要调用元素a所在类的equals()方法
    - equals()返回true,元素a添加失败
    - equals()返回false,则元素a添加成功。—>情况3

对于添加成功的情况2和情况3而言：元素a 与已经存在指定索引位置上数据以链表的方式存储。
jdk 7 :元素a放到数组中，指向原来的元素。
jdk 8 :原来的元素在数组中，指向元素a
总结：七上八下
HashSet底层：数组+链表的结构。

4.LinkedHashSet

LinkedHashSet的使用
LinkedHashSet作为HashSet的子类，在添加数据的同时，每个数据还维护了两个引用，记录此数据前一个数据和后一个数据。
优点：对于频繁的遍历操作，LinkedHashSet效率高于HashSet

5.TreeSet

向TreeSet中添加的数据，要求是相同类的对象。
两种排序方式：自然排序（实现Comparable接口）和定制排序（Comparator）
- 自然排序中，比较两个对象是否相同的标准为：compareTo()返回0.不再是equals()
- 定制排序中，比较两个对象是否相同的标准为：compare()返回0.不再是equals().

六、Map接口的实现类

1. Map的实现类的结构

Map:双列数据，存储key-value对的数据
- HashMap:作为Map的主要实现类；线程不安全的，效率高；存储null的key和value
  - LinkedHashMap:保证在遍历map元素时，可以按照添加的顺序实现遍历。
    - 原因：在原有的HashMap底层结构基础上，添加了一对指针，指向前一个和后一个元素。对于频繁的遍历操作，此类执行效率高于HashMap。
- TreeMap:保证按照添加的key-value对进行排序，实现排序遍历。此时考虑key的自然排序或定制排序，底层使用红黑树
- Hashtable:作为古老的实现类；线程安全的，效率低；不能存储null的key和value
  - Properties:常用来处理配置文件。key和value都是String类型
HashMap的底层：数组+链表（jdk7及之前）
- 数组+链表+红黑树（jdk 8）
- 面试题
  - HashMap的底层实现原理？
  - HashMap 和 Hashtable的异同？
  - CurrentHashMap 与 Hashtable的异同？

2.Map结构的理解

Map中的key:无序的、不可重复的，使用Set存储所有的key —> key所在的类要重写equals()和hashCode() （以HashMap为例）
Map中的value:无序的、可重复的，使用Collection存储所有的value —>value所在的类要重写equals()
一个键值对：key-value构成了一个Entry对象。
Map中的entry:无序的、不可重复的，使用Set存储所有的entry

3.HashMap的底层实现原理

以jdk7为例说明

HashMap map = new HashMap():
在实例化以后，底层创建了长度是16的一维数组Entry[] table。
…可能已经执行过多次put…
map.put(key1,value1):
首先，调用key1所在类的hashCode()计算key1哈希值，此哈希值经过某种算法计算以后，得到在Entry数组中的存放位置。
如果此位置上的数据为空，此时的key1-value1添加成功。 —-情况1
如果此位置上的数据不为空，(意味着此位置上存在一个或多个数据(以链表形式存在)),比较key1和已经存在的一个或多个数据
的哈希值：
如果key1的哈希值与已经存在的数据的哈希值都不相同，此时key1-value1添加成功。—-情况2
如果key1的哈希值和已经存在的某一个数据(key2-value2)的哈希值相同，继续比较：调用key1所在类的equals(key2)方法，比较：
如果equals()返回false:此时key1-value1添加成功。—-情况3
如果equals()返回true:使用value1替换value2。
补充：关于情况2和情况3：此时key1-value1和原来的数据以链表的方式存储。
在不断的添加过程中，会涉及到扩容问题，当超出临界值(且要存放的位置非空)时，扩容。默认的扩容方式：扩容为原来容量的2倍，并将原有的数据复制过来。

jdk8 相较于jdk7在底层实现方面的不同：

new HashMap():底层没有创建一个长度为16的数组
jdk 8底层的数组是：Node[],而非Entry[]
首次调用put()方法时，底层创建长度为16的数组
jdk7底层结构只有：数组+链表。jdk8中底层结构：数组+链表+红黑树。
- 形成链表时，七上八下（jdk7:新的元素指向旧的元素。jdk8：旧的元素指向新的元素）
- 当数组的某一个索引位置上的元素以链表形式存在的数据个数 >= 8 且当前数组的长度 > =64时，此时此索引位置上的所数据改为使用红黑树存储。
DEFAULT_INITIAL_CAPACITY : HashMap的默认容量，16
DEFAULT_LOAD_FACTOR：HashMap的默认加载因子：0.75
threshold：扩容的临界值，=容量*填充因子：16 * 0.75 => 12
TREEIFY_THRESHOLD：Bucket中链表长度大于该默认值，转化为红黑树:8
MIN_TREEIFY_CAPACITY：桶中的Node被树化时最小的hash表容量:64

4.LinkedHashMap的底层实现原理（了解）

源码中：

static class Entry<K,V> extends HashMap.Node<K,V> {
    Entry<K,V> before, after;//能够记录添加的元素的先后顺序
    Entry(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
        super(hash, key, value, next);
    }
}