java--集合类型list、set、Map的用法和区别

集合类是我们日常使用中操作最频繁的一个Java类型,在讲解之前我们先看下他们之间的关系

Collection
├List
│├LinkedList
│├ArrayList
│└Vector
│ └Stack
└Set

├HashSet

│ └LinkedHashSet
└TreeSet

Map
├Hashtable
├HashMap
│ └LinkHashMap
└WeakHashMap

Map
├Hashtable
├HashMap

│├LinkedHashMap

│└WeakHashMap

├TreeMap
└IdentifyHashMap

Collection接口

Collection是最基本的集合接口,一个Collection代表一组Object,即Collection的元素(Elements)

所有实现Collection接口的类都必须提供两个标准的构造函数:无参数的构造函数用于创建一个空的Collection,有一个 Collection参数的构造函数用于创建一个新的Collection,这个新的Collection与传入的Collection有相同的元素。后一个构造函数允许用户复制一个Collection。

  如何遍历Collection中的每一个元素?不论Collection的实际类型如何,它都支持一个iterator()的方法,该方法返回一个迭代子,使用该迭代子即可逐一访问Collection中每一个元素。

典型的用法如下:

    Iterator it = collection.iterator(); // 获得一个迭代子
    while(it.hasNext()) {
      Object obj = it.next(); // 得到下一个元素
    }

由Collection接口派生的两个接口是List和Set。

List按对象进入的顺序保存对象,不做排序或编辑操作。

Set对每个对象只接受一次,并使用自己内部的排序方法。

List接口

List是有序的Collection,次序是List最重要的特点:它保证维护元素特定的顺序。使用此接口能够精确的控制每个元素插入的位置。用户能够使用索引(元素在List中的位置,类似于数组下标)来访问List中的元素,这类似于Java的数组。和下面要提到的Set不同,List允许有相同的元素。

除了具有Collection接口必备的iterator()方法外,List还提供一个listIterator()方法,返回一个ListIterator接口,和标准的Iterator接口相比,ListIterator多了一些add()之类的方法,允许添加,删除,设定元素,还能向前或向后遍历。

实现List接口的常用类有LinkedList,ArrayList,Vector和Stack。其中,最常用的是LinkedList和 ArrayList两个。

LinkedList类

LinkedList实现了List接口,允许null元素。此外LinkedList提供额外的addFirst(),addLast(), getFirst(), getLast(), removeFirst(), removeLast(), insertFirst(),insertLast()方法在 LinkedList的首部或尾部,即LinkedList就是一个链表结构

LinkedList没有同步方法。如果多个线程同时访问一个List,则必须自己实现访问同步。一种解决方法是在创建List时构造一个同步的List:

List list = Collections.synchronizedList(new LinkedList(…));

特点:对顺序访问进行了优化,向List中间插入与删除的开销并不大。随机访问则相对较慢

ArrayList类

ArrayList是由数组实现的List,并且实现了可变大小的数组。它允许所有元素,包括null。ArrayList没有同步。size,isEmpty,get,set方法运行时间为常数。但是add方法开销为分摊的常数,添加n个元素需要O(n)的时间。其他的方法运行时间为线性。
   
每个ArrayList实例都有一个容量(Capacity),即用于存储元素的数组的大小。这个容量可随着不断添加新元素而自动增加,但是增长算法并没有定义。当需要插入大量元素时,在插入前可以调用ensureCapacity方法来增加ArrayList的容量以提高插入效率。
  
和LinkedList一样,ArrayList也是非同步的(unsynchronized)。

特点:允许对元素进行快速随机访问,但是向List中间插入与移除元素的速度很慢。ListIterator只应该用来由后向前遍历ArrayList,而不是用来插入和移除元素。因为那比LinkedList开销要大很多。

vector

Vector非常类似ArrayList,但是Vector是同步的。由Vector创建的Iterator,虽然和ArrayList创建的 Iterator是同一接口,但是,因为Vector是同步的,当一个Iterator被创建而且正在被使用,另一个线程改变了Vector的状态(例如,添加或删除了一些元素),这时调用Iterator的方法时将抛出ConcurrentModificationException,因此必须捕获该异常。

Stack 类

Stack继承自Vector,实现一个后进先出的堆栈。Stack提供5个额外的方法使得Vector得以被当作堆栈使用。基本的push和pop 方法,还有peek方法得到栈顶的元素,empty方法测试堆栈是否为空,search方法检测一个元素在堆栈中的位置。Stack刚创建后是空栈。

Set 接口

Set具有与Collection完全一样的接口,因此没有任何额外的功能,不像前面有几个不同的List。实际上Set就是 Collection,只是行为不同。(这是继承与多态思想的典型应用:表现不同的行为)。其次,Set是一种不包含重复的元素的Collection,加入Set的元素必须定义equals()方法以确保对象的唯一性( 即任意的两个元素e1和e2都有e1.equals(e2)=false),与List不同的是,Set接口不保证维护元素的次序。最后,Set最多有一个null元素。

Set的构造函数有一个约束条件,传入的Collection参数不能包含重复的元素。

请注意:必须小心操作可变对象(Mutable Object)。如果一个Set中的可变元素改变了自身状态导致Object.equals(Object)=true将导致一些问题。

HashSet

为快速查找设计的Set。存入HashSet的对象必须定义hashCode()。

LinkedHashSet类

具有HashSet的查询速度,且内部使用链表维护元素的顺序(插入的次序)。于是在使用迭代器遍历Set时,结果会按元素插入的次序显示。

TreeSet类

保存次序的Set, 底层为树结构。使用它可以从Set中提取有序的序列。

Map接口

Map没有继承Collection接口,Map提供key到value的映射,你可以通过“键”查找“值”。一个Map中不能包含相同的key,每个key只能映射一个 value。Map接口提供3种集合的视图,Map的内容可以被当作一组key集合,一组value集合,或者一组key-value映射。

Map同样对每个元素保存一份,但这是基于”键”的,Map也有内置的排序,因而不关心元素添加的顺序。如果添加元素的顺序对你很重要,应该使用 LinkedHashSet或者LinkedHashMap.

执行效率是Map的一个大问题。看看get()要做哪些事,就会明白为什么在ArrayList中搜索“键”是相当慢的。而这正是HashMap提高速度的地方。HashMap使用了特殊的值,称为“散列码”(hash code),来取代对键的缓慢搜索。“散列码”是“相对唯一”用以代表对象的int值,它是通过将该对象的某些信息进行转换而生成的

所有Java对象都能产生散列码,因为hashCode()是定义在基类Object中的方法。HashMap就是使用对象的hashCode()进行快速查询的。此方法能够显著提高性能。

HashTable

Hashtable继承Map接口,实现一个key-value映射的哈希表。任何非空(non-null)的对象都可作为key或者value

由于作为key的对象将通过计算其散列函数来确定与之对应的value的位置,因此任何作为key的对象都必须实现hashCode方法和equals方法。hashCode方法和equals方法继承自根类Object,如果你用自定义的类当作key的话,要相当小心,按照散列函数的定义,如果两个对象相同,即obj1.equals(obj2)=true,则它们的hashCode必须相同,但如果两个对象不同,则它们的hashCode不一定不同,如果两个不同对象的hashCode相同,这种现象称为冲突,冲突会导致操作哈希表的时间开销增大,所以尽量定义好的hashCode()方法,能加快哈希表的操作。
  
如果相同的对象有不同的hashCode,对哈希表的操作会出现意想不到的结果(期待的get方法返回null),要避免这种问题,只需要牢记一条:要同时复写equals方法和hashCode方法,而不要只写其中一个。

Hashtable是同步的。

HashMap

HashMap和Hashtable类似,也是基于散列表的实现。不同之处在于HashMap是非同步的,并且允许null,即null value和null key。将HashMap视为Collection时(values()方法可返回Collection),插入和查询“键值对”的开销是固定的,但其迭代子操作时间开销和HashMap 的容量成比例。因此,如果迭代操作的性能相当重要的话,不要将HashMap的初始化容量(initial capacity)设得过高,或者负载因子(load factor)过低。

LinkedHashMap

类似于HashMap,但是迭代遍历它时,取得“键值对”的顺序是其插入次序,或者是最近最少使用(LRU)的次序。只比HashMap慢一点。而在迭代访问时发而更快,因为它使用链表维护内部次序。

TreeMap

基于红黑树数据结构的实现。查看“键”或“键值对”时,它们会被排序(次序由Comparabel或Comparator决定)。TreeMap的特点在于,你得到的结果是经过排序的。TreeMap是唯一的带有subMap()方法的Map,它可以返回一个子树。

总结:

  • Collection是对象集合,Collection有两个子接口List和Set

  • List可以通过下标(1,2..)来取得值,值可以重复

  • 而Set只能通过游标来取值,并且值是不能重复的

  • ArrayList,Vector,LinkedList是List的实现类

  • ArrayList是线程不安全的,Vector是线程安全的,这两个类底层都是由数组实现的

  • LinkedList是线程不安全的,底层是由链表实现的

Map是键值对集合

  • HashTable和HashMap是Map的实现类

  • HashTable是线程安全的,不能存储null值

  • HashMap不是线程安全的,可以存储null值

需要注意的地方

1、Collection只能通过iterator()遍历元素,没有get()方法来取得某个元素。

2、Set和Collection拥有一模一样的接口。但排除掉传入的Collection参数重复的元素。

3、List,可以通过get()方法来一次取出一个元素。使用数字来选择一堆对象中的一个,get(0)…。(add/get)

4、Map用 put(k,v) /get(k),还可以使用containsKey()/containsValue()来检查其中是否含有某个key/value。HashMap会利用对象的hashCode来快速找到key。

哈希码(hashing)就是将对象的信息经过一些转变形成一个独一无二的int值,这个值存储在一个array中。我们都知道所有存储结构中,array查找速度是最快的。所以,可以加速查找。发生碰撞时,让array指向多个values。即,数组每个位置上又生成一个梿表。

5、Map中元素,可以将key序列、value序列单独抽取出来。

使用keySet()抽取key序列,将map中的所有keys生成一个Set。

使用values()抽取value序列,将map中的所有values生成一个Collection。

为什么一个生成Set,一个生成Collection?那是因为,key总是独一无二的,value允许重复。

效率

LinkedList: 快速插入,删除元素

ArrayList:快速查找

各种Maps中HashMap用于快速查找。

在各种Sets中,HashSet通常优于HashTree(插入、查找)。只有当需要产生一个经过排序的序列,才用TreeSet。HashTree存在的唯一理由:能够维护其内元素的排序状态。

最后,当元素个数固定,用Array,因为Array效率是最高的。

所以结论:最常用的是ArrayList,HashSet,HashMap,Array

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