容器

容器

• Collection接口
• • List特点和常用方法
  • • List接口常用的实现类有3个：ArrayList、LinkedList和Vector
    • LinkedList特点和底层实现
    • Vector向量
  • Map接口
  • • HashMap和HashTable
    • HashMap底层实现详解
• Set接口
• • HashSet基本使用
  • • HashSet底层实现
  • TreeSet的使用和底层实现
• 迭代器
• 遍历集合的方法总结
• • List
  • Set
  • Map
• Collections工具类

数组就是一种容器，可以在其中放置对象或基本类型数据。

数组的优势：是一种简单的线性序列，可以快速地访问数组元素，效率高。如果从效率和类型检查的角度讲，数组是最好的。

数组的劣势：不灵活。容量需要事先定义好，不能随着需求的变化而扩容。比如：我们在一个用户管理系统中，要把今天注册的所有用户取出来，那么这样的用户有多少个?我们在写程序时是无法确定的。因此，在这里就不能使用数组。

基于数组并不能满足我们对于“管理和组织数据的需求”，所以我们需要一种更强大、更灵活、容量随时可扩的容器来装载我们的对象。 这就是我们今天要学习的容器，也叫集合(Collection)。

容器的接口层次结构图：

Collection接口

Collection 表示一组对象，它是集中、收集的意思。Collection接口的两个子接口是List、Set接口。

由于List、Set是Collection的子接口，意味着所有List、Set的实现类都有上面的方法。

List特点和常用方法

List是有序、可重复的容器。
有序：
List中每个元素都有索引标记。可以根据元素的索引标记(在List中的位置)访问元素，从而精确控制这些元素。
可重复：
List允许加入重复的元素。更确切地讲，List通常允许满足 e1.equals(e2) 的元素重复加入容器。

除了Collection接口中的方法，List多了一些跟顺序(索引)有关的方法，参见下表：

List接口常用的实现类有3个：ArrayList、LinkedList和Vector

ArrayList特点和底层实现
ArrayList底层是用数组实现的存储（我们可以看出ArrayList底层使用Object数组来存储元素数据）。 特点：查询效率高，增删效率低，线程不安全。我们一般使用它。

我们知道，数组长度是有限的，而ArrayList是可以存放任意数量的对象，长度不受限制。

怎么实现的呢?

本质上就是通过定义新的更大的数组，将旧数组中的内容拷贝到新数组，来实现扩
容。 ArrayList的Object数组初始化长度为10，如果我们存储满了这个数组，需
要存储第11个对象，就会定义新的长度更大的数组，并将原数组内容和新的元素一
起加入到新数组中

源码如下：

LinkedList特点和底层实现

LinkedList底层用双向链表实现的存储。特点：查询效率低，增删效率高，线程不安全。

双向链表也叫双链表，是链表的一种，它的每个数据节点中都有两个指针，分别指向前一个节点和后一个节点。 所以，从双向链表中的任意一个节点开始，都可以很方便地找到所有节点。

每个节点都应该有3部分内容：

    class  Node {
        Node  previous;     //前一个节点
        Object  element;    //本节点保存的数据
        Node  next;         //后一个节点
}

Vector向量

Vector底层是用数组实现的List，相关的方法都加了同步检查，因此“线程安全,效率低”。 比如，indexOf方法就增加了synchronized同步标记。

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如何选用ArrayList、LinkedList、Vector?

  1. 需要线程安全时，用Vector。

  2. 不存在线程安全问题时，并且查找较多用ArrayList(一般使用它)。

  3. 不存在线程安全问题时，增加或删除元素较多用LinkedList。

Map接口

Map就是用来存储“键(key)-值(value) 对”的。 Map类中存储的“键值对”通过键来标识，所以“键对象”不能重复。

Map 接口的实现类有HashMap、TreeMap、HashTable、Properties等。

HashMap和HashTable

HashMap采用哈希算法实现，是Map接口最常用的实现类。 由于底层采用了哈希表存储数据，我们要求键不能重复，如果发生重复，新的键值对会替换旧的键值对。 HashMap在查找、删除、修改方面都有非常高的效率。

public class TestMap {
    public static void main(String[] args) {
        Map<Integer, String> m1 = new HashMap<Integer, String>();
        Map<Integer, String> m2 = new HashMap<Integer, String>();
        m1.put(1, "one");
        m1.put(2, "two");
        m1.put(3, "three");
        m2.put(1, "一");
        m2.put(2, "二");
        System.out.println(m1.size());
        System.out.println(m1.containsKey(1));
        System.out.println(m2.containsValue("two"));
        m1.put(3, "third"); //键重复了，则会替换旧的键值对
        Map<Integer, String> m3 = new HashMap<Integer, String>();
        m3.putAll(m1);
        m3.putAll(m2);
        System.out.println("m1:" + m1);
        System.out.println("m2:" + m2);
        System.out.println("m3:" + m3);
    }
}

HashTable类和HashMap用法几乎一样，底层实现几乎一样，只不过HashTable的方法添加了synchronized关键字确保线程同步检查，效率较低。

HashMap与HashTable的区别

  1. HashMap: 线程不安全，效率高。允许key或value为null。

  2. HashTable: 线程安全，效率低。不允许key或value为null。

HashMap底层实现详解

HashMap底层实现采用了哈希表，这是一种非常重要的数据结构。对于我们以后理解很多技术都非常有帮助(比如：redis数据库的核心技术和HashMap一样)，因此，非常有必要让大家理解。

  数据结构中由数组和链表来实现对数据的存储，他们各有特点。

  (1) 数组：占用空间连续。 寻址容易，查询速度快。但是，增加和删除效率非常低。

  (2) 链表：占用空间不连续。 寻址困难，查询速度慢。但是，增加和删除效率非常高。

  那么，我们能不能结合数组和链表的优点(即查询快，增删效率也高)呢? 答案就是“哈希表”。 哈希表的本质就是“数组+链表”。

Hashmap基本结构讲解

Entry[] table 就是HashMap的核心数组结构，我们也称之为“位桶数组”。

Entry是什么，源码如下：

一个Entry对象存储了：

  1. key：键对象 value：值对象

  2. next:下一个节点

  3. hash: 键对象的hash值

显然每一个Entry对象就是一个单向链表结构，我们使用图形表示一个Entry对象的典型示意：

然后，我们画出Entry[]数组的结构(这也是HashMap的结构)：

存储数据过程put(key,value)

步骤：
(1) 获得key对象的hashcode

首先调用key对象的hashcode()方法，获得hashcode。

(2) 根据hashcode计算出hash值(要求在[0, 数组长度-1]区间)

hashcode是一个整数，我们需要将它转化成[0, 数组长度-1]的范围。我们要求转化后的hash值尽量均匀地分布在[0,数组长度-1]这个区间，减少“hash冲突”

i. 一种极端简单和低下的算法是：

hash值 = hashcode/hashcode;

也就是说，hash值总是1。意味着，键值对对象都会存储到数组索引1位置，这样就形成一个非常长的链表。相当于每存储一个对象都会发生“hash冲突”，HashMap也退化成了一个“链表”。

ii. 一种简单和常用的算法是(相除取余算法)：

hash值 = hashcode%数组长度

这种算法可以让hash值均匀的分布在[0,数组长度-1]的区间。 早期的HashTable就是采用这种算法。但是，这种算法由于使用了“除法”，效率低下。JDK后来改进了算法。首先约定数组长度必须为2的整数幂，这样采用位运算即可实现取余的效果：hash值 = hashcode&(数组长度-1)。

事实上，为了获得更好的散列效果，JDK对hashcode进行了两次散列处理(核心目标就是为了分布更散更均匀)，源码如下：

(3) 生成Entry对象

如上所述，一个Entry对象包含4部分：key对象、value对象、hash值、指向下一个Entry对象的引用。我们现在算出了hash值。下一个Entry对象的引用为null。

(4) 将Entry对象放到table数组中

如果本Entry对象对应的数组索引位置还没有放Entry对象，则直接将Entry对象存储进数组;如果对应索引位置已经有Entry对象，则将已有Entry对象的next指向本Entry对象，形成链表。

总结如上过程：
当添加一个元素(key-value)时，首先计算key的hash值，以此确定插入数组中的位置，但是可能存在同一hash值的元素已经被放在数组同一位置了，这时就添加到同一hash值的元素的后面，他们在数组的同一位置，就形成了链表，同一个链表上的Hash值是相同的，所以说数组存放的是链表。JDK8中，当链表长度大于8时，链表就转换为红黑树，这样又大大提高了查找的效率。

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取数据过程get(key)
我们需要通过key对象获得“键值对”对象，进而返回value对象。明白了存储数据过程，取数据就比较简单了，参见以下步骤：

(1) 获得key的hashcode，通过hash()散列算法得到hash值，进而定位到数组的位置。

(2) 在链表上挨个比较key对象。 调用equals()方法，将key对象和链表上所有节点的key对象进行比较，直到碰到返回true的节点对象为止。

(3) 返回equals()为true的节点对象的value对象。

明白了存取数据的过程，我们再来看一下hashcode()和equals方法的关系：

Java中规定，两个内容相同(equals()为true)的对象必须具有相等的hashCode。因为如果equals()为true而两个对象的hashcode不同;那在整个存储过程中就发生了悖论。

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扩容问题

HashMap的位桶数组，初始大小为16。实际使用时，显然大小是可变的。如果位桶数组中的元素达到(0.75*数组 length)， 就重新调整数组大小变为原来2倍大小。

扩容很耗时。扩容的本质是定义新的更大的数组，并将旧数组内容挨个拷贝到新数组中。

Set接口

Set接口继承自Collection，Set接口中没有新增方法，方法和Collection保持完全一致。
Set容器特点：无序、不可重复。无序指Set中的元素没有索引，我们只能遍历查找;不可重复指不允许加入重复的元素。更确切地讲，新元素如果和Set中某个元素通过equals()方法对比为true，则不能加入;甚至，Set中也只能放入一个null元素，不能多个。

  Set常用的实现类有：HashSet、TreeSet等，我们一般使用HashSet。

HashSet基本使用

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Set<String> s = new HashSet<String>();
        s.add("hello");
        s.add("world");
        System.out.println(s);
        s.add("hello"); //相同的元素不会被加入
        System.out.println(s);
        s.add(null);
        System.out.println(s);
        s.add(null);
        System.out.println(s);
    }
}

HashSet底层实现

HashSet是采用哈希算法实现，底层实际是用HashMap实现的(HashSet本质就是一个简化版的HashMap)，因此，查询效率和增删效率都比较高。我们来看一下HashSet的源码：

们发现里面有个map属性，这就是HashSet的核心秘密。我们再看add()方法，发现增加一个元素说白了就是在map中增加一个键值对，键对象就是这个元素，值对象是名为PRESENT的Object对象。说白了，就是“往set中加入元素，本质就是把这个元素作为key加入到了内部的map中”。

由于map中key都是不可重复的，因此，Set天然具有“不可重复”的特性。

TreeSet的使用和底层实现

TreeSet底层实际是用TreeMap实现的，内部维持了一个简化版的TreeMap，通过key来存储Set的元素。 TreeSet内部需要对存储的元素进行排序，因此，我们对应的类需要实现Comparable接口。这样，才能根据compareTo()方法比较对象之间的大小，才能进行内部排序。

示例:TreeSet和Comparable接口的使用

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        User u1 = new User(1001, "高淇", 18);
        User u2 = new User(2001, "高希希", 5);
        Set<User> set = new TreeSet<User>();
        set.add(u1);
        set.add(u2);
    }
}
 
class User implements Comparable<User> {
    int id;
    String uname;
    int age;
 
    public User(int id, String uname, int age) {
        this.id = id;
        this.uname = uname;
        this.age = age;
    }
    /**
     * 返回0 表示 this == obj 返回正数表示 this > obj 返回负数表示 this < obj
     */
    @Override
    public int compareTo(User o) {
        if (this.id > o.id) {
            return 1;
        } else if (this.id < o.id) {
            return -1;
        } else {
            return 0;
        }
    }
}

使用TreeSet要点：

• 由于是二叉树，需要对元素做内部排序。 如果要放入TreeSet中的类没有实现Comparable接口，则会抛出异常：java.lang.ClassCastException。

• TreeSet中不能放入null元素。

迭代器

如果遇到遍历容器时，判断删除元素的情况，使用迭代器遍历!

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迭代器遍历List

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> aList = new ArrayList<String>();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            aList.add("a" + i);
        }
        System.out.println(aList);
        for (Iterator<String> iter = aList.iterator(); iter.hasNext();) {
            String temp = iter.next();
            System.out.print(temp + "\t");
            if (temp.endsWith("3")) {// 删除3结尾的字符串
                iter.remove();
            }
        }
        System.out.println();
        System.out.println(aList);
    }
}

迭代器遍历Set

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Set<String> set = new HashSet<String>();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            set.add("a" + i);
        }
        System.out.println(set);
        for (Iterator<String> iter = set.iterator(); iter.hasNext();) {
            String temp = iter.next();
            System.out.print(temp + "\t");
        }
        System.out.println();
        System.out.println(set);
    }
}

迭代器遍历Map一

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Map<String, String> map = new HashMap<String, String>();
        map.put("A", "GQQ");
        map.put("B", "哈哈哈");
        Set<Entry<String, String>> ss = map.entrySet();
        for (Iterator<Entry<String, String>> iterator = ss.iterator(); iterator.hasNext();) {
            Entry<String, String> e = iterator.next();
            System.out.println(e.getKey() + "--" + e.getValue());
        }
    }
}

迭代器遍历Map二

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Map<String, String> map = new HashMap<String, String>();
        map.put("A", "淇");
        map.put("B", "七");
        Set<String> ss = map.keySet();
        for (Iterator<String> iterator = ss.iterator(); iterator.hasNext();) {
            String key = iterator.next();
            System.out.println(key + "--" + map.get(key));
        }
    }
}

遍历集合的方法总结

List

遍历List方法一：普通for循环

for(int i=0;i<list.size();i++){//list为集合的对象名
    String temp = (String)list.get(i);
    System.out.println(temp);
}

遍历List方法二：增强for循环(使用泛型!)

for (String temp : list) {
System.out.println(temp);
}

遍历List方法三：使用Iterator迭代器(1)

for(Iterator iter= list.iterator();iter.hasNext();){
    String temp = (String)iter.next();
    System.out.println(temp);
}

遍历List方法四：使用Iterator迭代器(2)

Iterator  iter =list.iterator();
while(iter.hasNext()){
    Object  obj =  iter.next();
    iter.remove();//如果要遍历时，删除集合中的元素，建议使用这种方式！
    System.out.println(obj);
}

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Set

遍历Set方法一：增强for循环

for(String temp:set){
System.out.println(temp);
}

遍历Set方法二：使用Iterator迭代器

for(Iterator iter = set.iterator();iter.hasNext();){
    String temp = (String)iter.next();
    System.out.println(temp);
}

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Map

遍历Map方法一：根据key获取value

Map<Integer, Man> maps = new HashMap<Integer, Man>();
Set<Integer>  keySet =  maps.keySet();
for(Integer id : keySet){
System.out.println(maps.get(id).name);
}

遍历Map方法二：使用entrySet

Set<Entry<Integer, Man>>  ss = maps.entrySet();
for (Iterator iterator = ss.iterator(); iterator.hasNext();) {
    Entry e = (Entry) iterator.next(); 
    System.out.println(e.getKey()+"--"+e.getValue());

Collections工具类

类 java.util.Collections 提供了对Set、List、Map进行排序、填充、查找元素的辅助方法。

1. void sort(List) //对List容器内的元素排序，排序的规则是按照升序进行排序。

2. void shuffle(List) //对List容器内的元素进行随机排列。

3. void reverse(List) //对List容器内的元素进行逆续排列 。

4. void fill(List, Object) //用一个特定的对象重写整个List容器。

5. int binarySearch(List, Object)//对于顺序的List容器，采用折半查找的方法查找特定对象。

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> aList = new ArrayList<String>();
        for (int i = 0; i < 5; i++){
            aList.add("a" + i);
        }
        System.out.println(aList);
        Collections.shuffle(aList); // 随机排列
        System.out.println(aList);
        Collections.reverse(aList); // 逆续
        System.out.println(aList);
        Collections.sort(aList); // 排序
        System.out.println(aList);
        System.out.println(Collections.binarySearch(aList, "a2")); 
        Collections.fill(aList, "hello");
        System.out.println(aList);
    }
}