【Java基础】集合

学习集合整理的学习笔记

一、Collection（集合）

1.1 集合框架的概述

1.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
- 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)

2.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，我们也只能操作指定类型的数据了

3.数组在存储多个数据方面的缺点：
- 一旦初始化以后，其长度就不可以修改
- 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，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

1.2 分类

Collection接口： 单列数据，定义了一组对象的方法的集合
- List： 元素有序、可重复的集合（动态数组）
  - ArrayList、LinkedList、Vector
- Set： 元素无序，不可重复的集合
  - HashSet、LinkedHashSet、TreeSet

Map接口： 双列数据，保存具有映射关系“key-value”的集合【类似python的字典】
- HashMap、LinkedHashMap、TreeMap、Hashtable、Properties

1.3 Collection中定义的方法

add(Object e)：集合里添加数据

size()：返回一个int型，获取集合里数据的个数

addAll(Collection coll)：将一个集合的元素，全部添加到另一个集合里

clear()：清空集合里的元素

isEmpty()：返回一个boolean型，判断当前集合是否为空

contains(Object obj)：返回一个boolean型，判断当前集合中是否包含obj
注意:contains判断对象时，是调用该对象内equals方法，若此方法没重写，默认比较地址值。

containsAll(Collection coll)：返回一个boolean型，判断当前集合里的数据是否全部包含了另一个集合的数据

remove(Object obj)：返回一个boolean型，移除某个元素，移除成功true，否者false
	注意：remove也是调用该对象的equals方法进行匹配，相同就进行移除

removeAll(Collection coll)：返回一个boolean型，将一个集合里的元素从另一个集合里全部移除（差集）

retainAll(Collection coll)：返回一个boolean型，保留两个集合的共同数据（交集）

equals(Object obj)：返回一个boolean型，比较两个集合是否相同

hashCode()：返回一个int型，计算哈希值并返回

toArray()：返回一个Object[]，将一个集合转变成数组

额外拓展：
	Arrays.asList(数组)：将一个数组变成一个集合

1.4 集合遍历

（1）迭代器
- 迭代器是Collocetion的其中一个方法。iterator()，返回一个迭代器对象。用于遍历数组
- 迭代器操作：
  - 1.内部的方法：hasNext() 和 next()
  - 2.集合对象每次调用iterator()方法都得到一个全新的迭代器对象，默认游标都在集合的第一个元素之前
  - 3.内部定义了remove()，可以在遍历的时候，删除集合中的元素。此方法不同于集合直接调用remove()

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while(iterator.hasNext()){//是否有下一个，有就true，无就false
    System.out.println(iterator.next());
}

（2）增强for循环
- 格式： for(集合中元素的类型局部变量：集合对象)，类似python的for xx in xx
- 内部仍然调用了迭代器

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for(Object obj : coll){
    System.out.println(obj);
}

二、List

2.1 分类

|—-Collection接口
|—-List接口：存储有序的，可重复的数据
|—-ArrayList：作为List接口的主要实现类（1.2出现），线程不安全，效率高；底层使用Object[] elementData存储
|—-LinkedList：对于频繁的插入、删除操作，使用此类效率比ArrayList效率高。底层使用双向链表存储
|—-Vector：作为List接口的古老实现类（1.0出现），线程安全，效率低；底层使用Object[] elementData存储

2.2 ArrayList源码分析

JDK 7情况下：

ArrayList list = new ArrayList();
//底层创建了长度为10的Object[]数组elementData

list.add(123);
//list[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容量的1.5倍，同时将原有数组中的数组赋值到新的数组中

- 结论：建议开发中使用带参的构造器：ArrayList list = new ArrayList(int capacity)

JDK8情况下：

ArrayList list = new ArrayList();
//底层Object[] elementData初始化为{}，并没有创建

list.add(123);
//第一次调用add()时，底层才创建长度为10的数组，并将数据添加到数组中
...
后续的添加和扩容操作与JDK7一样

总结：
JDK7中的ArrayList的对象创建，类似于单例模式的饿汉式
JDK8中的ArrayList的对象创建，类似于单例模式的懒汉式，延迟了数组的创建，节省内存

2.3 LinkedList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(213);
//将213封装到Node中，创建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;
	}
}

2.4 List接口中的常用方法

除了Collection中的方法外：
	void add(int index, Obejct else)：在指定的位置中插入数组

	boolean addAll(int index, Collection else)：从index位置将else集合中所有数据插入

	Object get(int index)：获取index位置的数据

	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在当前集合末次出现的位置

	Object remove(int index)：移除指定index位置的元素

	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 else)
    查：get(int index)
    插：add(int index, Object else)
    长度：size()
    遍历：（1）Iterator迭代器
          （2）增强for循环
          （3）普通循环

三、Set

3.1 分类

3.2 无序、不可重复性理解

（1）无序性
- （1）不等于随机性。
- （2）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进行存储

（2）不可重复性
- 保证添加的元素，按照equals()判断时，不能反回true。即：相同的元素只能添加一个

（3）以HashSet为例，来了解存储过程
- 我们向HashSet中添加元素b，首先调用元素b所在类的hashCode()方法，计算元素b的哈希值
- 此哈希值通过某种算法计算出HashSet底层数组中存放位置（即：索引位置），判断数组在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b添加成功（情况一）
  - 如果此位置上有其他元素b(或以链表形式存在多个元素)，则比较元素a与元素b的hash值
    - 如果hash值不相同，以链表的形式将元素b添加（情况二）
    - 如果hash只相同，进而需要调用元素b所在类的equals()方法：
      - equals()返回false，以链表的形式将元素b添加（情况三）
      - equals()返回true，则元素b添加失败
- 注意：
  - JDK7以链表添加数据，是将新数据放进数组，并用指针指向原数组数据；
  - JDK8以链表添加数据，是数组里面的数据，用指针指向新添加的数据
  - 口诀：七上八下

（4）总结
- 向Set中添加数据，其所在的类一定要重写hashCode() 和 equals()
- 重写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
- HashSet底层：数组 + 链表

3.3 LinkedHashSet

说明
- 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，记录次数据前一个数据和后一个数据。本质上和HashSet区别不大
- 优点：对于频繁的遍历操作，LinkedHashSet的效率比HashSet高

3.4 TreeSet

（1）使用说明
- 向TreeSet中添加的数据，要求是相同类的对象
- 存储的形式类似于二叉树
- 访问数据是从小到大访问，需要用到Java比较器

（2）比较方法
- 自然排序
  - 类实现Comparable接口，重写compareTo()方法
  - TreeSet判断是否存储数据是否相同，使用的是compareTo()方法，不再是equals
- 定制排序
  - 创建comparator实现类对象，该实现类重写compare()方法，将此对象作为参数传入TreeSet的创建中
  - TreeSet判断是否存储数据是否相同，使用的是compare()方法，不再是equals

四、Map

4.1 Map分类

|—-Map：双列数据，存储key-value对的数据 —类似于高中函数：y=f(x)
|—-HashMap：作为主要实现类；线程不安全，效率高；存储null的key和value；
|—-LinkedHashMap：保证在遍历map元素是，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，此类的执行效率高于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、定制排序
底层使用红黑树
|—-Hashtable：作为古老实现类；线程安全，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

4.2 Map结构理解

Map中的key是无序的、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的所在类要重写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

4.3 底层实现原理

基本与HashSet没有太大区别（以HashMap为例）：
- 比较key的hash值，看位置上是否有其他数据
  - 有就再比较该位置上链表的key的hash值，看是否相同
    - key的hash值相同，就调用equals方法
      - equals()返回false，添加成功
      - equals()返回true，修改该key的value值—不同点
- 在不断添加过程中，会涉及到扩容问题，当超出临界值(且要存放的位置非空)。默认的扩容方式：扩容到原来容量的2倍，并将原有的数据复制过来。

4.4 JDK7 和 JDK8 底层区别

1.new HashMap()：JDK7底层直接创建长度为16的数组；
- JDK8底层没有创建一个长度为16的数组，添加数据时再创建

2.JDK7底层数组是：Entry[]；
- JDK8底层数组是：Node[]

3.JDK7底层结构只有：数组+链表
- JDK8底层结构：数组+链表+红黑树
- 当数组的某一个索引位置上的元素一链表形式存在的数组个数>8，且当前数组长度>64时，此时此索引位置上的所有数组改为使用红黑树

4.5 其他实现类

LinkedHashMap： 原理与LinkedHashSet无太大差异，就是在HashMap基础上，多两个指针指引数据前后顺序

TreeMap： 原理与TreeSet无太大差异，key存储的数据必须是同一对象，并提供Java比较器（自然排序，定制排序）来进行对数据的排序

Properties： 配置文件，涉及文件的读写操作（暂不细讲）
- （1）创建Properties对象
- （2）对象.load(流)//加载流对应的文件
- （3）对象.getProperty(String key)//获取对应key相应的value
- 注意： 配置文件里面的内容为："key=value"，不要在”=”之间添加空格

4.6 常用方法

Map接口定义方法

添加、删除、修改操作：
    Object put(Object key, Object value)：将指定的key-value添加到（或修改）当前map对象中
    void putAll(Map m)：将m中所有key-value中存放到当前map中
    Object remove(Object key)：移除指定key的key-value对，并返回value
    void clear()：清空当前map中所有的数据

元素查询操作：
    Object get(Object key)：获取指定key对应的value
    boolean containsKey(Object key)：是否包含指定的key
    boolean containsValue(Object value)：是否包含指定的value
    int size()：返回map中key-value对的个数
    boolean isEmpty()：判断当前map是否为空
    boolean equals(Object obj)：判断当前map和参数对象obj是否相等

元视图操作（用于遍历）：
    Set KeySet()：返回所有Key构成的Set集合
    Collection value()：返回所有value构成的Collection集合
    Set entrySet()：返回所有Key-value对构成的集合

总结

总结：常用方法
    添加：Object put(Object key, Object value)
    删除：Object remove(Object key)
    修改：Object put(Object key, Object value)
    查询：Object get(Object key)
    长度：int size()
    遍历：Set KeySet() / Collection value() / Set entrySet()

五、Collections工具类

5.1 常用方法

（1）排序操作：
	void reverse(List)：反转List中元素的顺序
	void shuffle(List)：对List集合元素进行随机排序
	void sort(List)：根据元素的自然顺序对指定List集合元素按升序排序
	void sort(List, Comparator)：根据指定的Comparator产生的顺序对List集合元素进行排序
	void swap(List, int, int)：将指定list集合中的i处元素和j处元素进行交换

（2）查找、替换
	Object max(Collection)：根据元素的自然顺序，返回给定集合中的最大元素
	Object max(Collection，Comparator)：根据Comparator指定的顺序，返回给定集合中的最大元素
	Object min(Collection)：同理，找最小
	Object min(Collection, Comparator)：同理，找最小
	int frequency(Collection, Object)：返回指定集合中指定元素的出现次数
	void copy(List dest, List src)：将src中的内容赋值到dest中
	boolean replaceAll(List list, Object oldVal, Object newVal)：使用新值替换List对象的所有旧值

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（3）Collections类提供了多个synchronizedXxx()方法，
	该方法可使将指定集合包装成线程同步的集合，从而可以解决多线程并发访问集合时的线程安全问题
	例：List list1 = Collections.synchronizedList(list);

5.2 注意点

copy方法的使用：

错误示范：
	List list1 = new ArrayList(list.size());
	Collections.copy(list1, list);
新建的List中并没有元素，不能进行赋值

正确操作：
	List list2 = Arrays.asList(new Object[list.size()]);
    Collections.copy(list2, list);
数组转变成集合，默认赋予null值

六、面试题

面试题：Collection 和 Collections 的区别？
- Collection是集合的接口
- Collections是操作Collection和Map的工具类

面试题：ArrayList、LinkedList、Vector三者的异同？
- 同：三个类都是实现了List接口，存储数据的特点相同：存储有序的，可重复的数据
- 异：
  - ArrayList：作为List接口的主要实现类（1.2出现），线程不安全，效率高；底层使用Object[] elementData存储
  - Vector：作为List接口的古老实现类（1.0出现），线程安全，效率低；底层使用Object[] elementData存储
  - LinkedList：对于频繁的插入、删除操作，使用此类效率比ArrayList效率高。底层使用双向链表存储

面试题：HashMap的底层实现原理？
- 存储数据时，先通过获取该数据的key的hash值，通过某种算法计算在数组的位置，查看该位置是否有数据：
  - 若无，存储成功。若有，比较该位置上链表元素的hash值是否相同：
    - 若相同，链表形式存储(JDK7：头插法；JDK8：尾接法)。若不同，调用equals()方法：
      - 若equals()返回false，链表形式存储。若equals返回true，则修改该key上的value值。

面试题：HashMap 和 Hashtable的异同？
- 同：双列数据，存储key-value对的数据
- 异：
  - HashMap：作为主要实现类；线程不安全，效率高；存储null的key和value
  - Hashtable：作为古老实现类；线程安全，效率低；不能存储null的key和value