Java高级编程：集合

集合的学习层次

• 层次一：选择合适的集合类去实现数据的保存，调用其内部的相关方法。

• 层次二：不同的集合类底层的数据结构为何？如何实现数据的操作的：增删改查等。

集合与数组存储数据概述：

• 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)

数组存储的特点：

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;

数组存储的弊端：

• 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。

集合存储的优点：

• 解决数组存储数据方面的弊端。

Collection接口

单列集合框架结构

• |----Collection接口：单列集合，用来存储一个一个的对象

•       |----List接口：存储序的、可重复的数据。  -->“动态”数组
  

•          |----ArrayList、LinkedList、Vector
  

•       |----Set接口：存储无序的、不可重复的数据   -->高中讲的“集合”
  

•          |----HashSet、LinkedHashSet、TreeSet
  

Collection接口常用方法：

• add(Object obj),
• addAll(Collection coll),
• size()
• isEmpty(),
• clear();
• contains(Object obj),
• containsAll(Collection coll),
• remove(Object obj),
• removeAll(Collection coll),
• retainsAll(Collection coll),
• equals(Object obj);
• hashCode(),
• toArray(),
• iterator();

Collection集合与数组间的转换

//集合 --->数组：toArray()
Object[] arr = coll.toArray();
for(int i = 0;i < arr.length;i++){
    System.out.println(arr[i]);
}

//拓展：数组 --->集合:调用Arrays类的静态方法asList(T ... t)
List<String> list = Arrays.asList(new String[]{"AA", "BB", "CC"});
System.out.println(list);

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

使用Collection集合存储对象，要求对象所属的类满足：

• 向Collection接口的实现类的对象中添加数据obj时，要求obj所在类要重写equals().

遍历Collection的两种方式：

• ① 使用迭代器Iterator
• ② foreach循环（或增强for循环）

java.utils包下定义的迭代器接口：Iterator

• Iterator对象称为迭代器(设计模式的一种)，主要用于遍历 Collection 集合中的元素。
• GOF给迭代器模式的定义为：提供一种方法访问一个容器(container)对象中各个元素，而又不需暴露该对象的内部细节。迭代器模式，就是为容器而生。

作用

• 遍历集合Collectiton元素

获取实例

• coll.iterator()返回一个迭代器实例

Iterator iterator = coll.iterator();
//hasNext():判断是否还下一个元素
while(iterator.hasNext()){
    //next():①指针下移 ②将下移以后集合位置上的元素返回
    System.out.println(iterator.next());
}

图示说明

remove()的使用：

测试Iterator中的remove()

• 如果还未调用next()或在上一次调用 next方法之后已经调用了 remove 方法，再调用remove都会报IllegalStateException。
• 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()

    @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);

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

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

增强for循环：(foreach循环)

@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(集合元素的类型 局部变量 : 集合对象)
    
    for(Object obj : coll){
        System.out.println(obj);
    }
}

• 内部仍然使用了迭代器

遍历数组举例

遍历数组举例：

@Test
public void test2(){
    int[] arr = new int[]{1,2,3,4,5,6};
    //for(数组元素的类型 局部变量 : 数组对象)
    for(int i : arr){
        System.out.println(i);
    }
}

Collection子接口：List接口

存储的数据特点：

• 存储序的、可重复的数据。

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：
  ① Iterator迭代器方式
  ② 增强for循环
  ③ 普通的循环

常用实现类：

|----Collection接口：单列集合，用来存储一个一个的对象

• |----List接口：存储序的、可重复的数据。 -->“动态”数组,替换原的数组

•   |----ArrayList：作为List接口的主要实现类；线程不安全的，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高；底层使用双向链表存储
  

•  |----Vector：作为List接口的古老实现类；线程安全的，效率低；底层使用Object[] elementData存储
  

ArrayList的源码分析：

jdk 7情况下：

• 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)

jdk 8中ArrayList的变化：

• ArrayList list = new ArrayList();//底层Object[] elementData初始化为{}.并没创建长度为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。

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。

存储的元素的要求：

• 添加的对象，所在的类要重写equals()方法

Collection子接口：Set接口

• 存储的数据特点：无序的、不可重复的元素
• 以HashSet为例说明：

1. 无序性：不等于随机性。存储的数据在底层数组中并非照数组索引的顺序添加，而是根据数据的哈希值决定的。
2. 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。

元素添加过程：(以HashSet为例)

• 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元素：
  • 如果此位置上没其他元素，则元素a添加成功。 —>情况1
  • 如果此位置上其他元素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2

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

HashSet底层：数组+链表的结构。（前提：jdk7)

常用方法

• Set接口中没额外定义新的方法，使用的都是Collection中声明过的方法。

常用实现类：

|----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
  

•             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。                       对于频繁的遍历操作，LinkedHashSet效率高于HashSet.
  

•          |----TreeSet：可以照添加对象的指定属性，进行排序。
  

存储对象所在类的要求：

HashSet/LinkedHashSet:

• 要求：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()
• 要求：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。

TreeSet:

• 1.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().
• 2.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().

TreeSet的使用

• 1.向TreeSet中添加的数据，要求是相同类的对象。
• 2.两种排序方式：自然排序（实现Comparable接口 和 定制排序（Comparator）

常用的排序方式:

//方式一：自然排序
@Test
    public void test1(){
        TreeSet set = new TreeSet();

        //失败：不能添加不同类的对象
//        set.add(123);
//        set.add(456);
//        set.add("AA");
//        set.add(new User("Tom",12));

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

        //举例二：
        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());
        }

    }

//方式二：定制排序
    @Test
    public void test2(){
        Comparator com = new Comparator() {
            //照年龄从小到大排列
            @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("输入的数据类型不匹配");
                }
            }
        };

        TreeSet set = new TreeSet(com);
        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("Mary",33));
        set.add(new User("Jack",33));
        set.add(new User("Jack",56));


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

双列集合框架：Map

常用实现类结构

• |----Map:双列数据，存储key-value对的数据 —类似于高中的函数：y = f(x)
  • |----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，可以照添加的顺序实现遍历。
    • 原因：在原的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)

存储结构的理解：

• Map中的key:无序的、不可重复的，使用Set存储所的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存储所的entry
  

常用方法

• 添加：put(Object key,Object value)
• 删除：remove(Object key)
• 修改：put(Object key,Object value)
• 查询：get(Object key)
• 长度：size()
• 遍历：keySet() / values() / entrySet()

内存结构说明：（难点）

HashMap在jdk7中实现原理：
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，并将原的数据复制过来。

HashMap在jdk8中相较于jdk7在底层实现方面的不同：

1. new HashMap():底层没创建一个长度为16的数组
2. jdk 8底层的数组是：Node[],而非Entry[]
3. 首次调用put()方法时，底层创建长度为16的数组
4. jdk7底层结构只：数组+链表。jdk8中底层结构：数组+链表+红黑树。

• 4.1 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）
• 4.2 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。

HashMap底层典型属性的属性的说明：

• 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

LinkedHashMap的底层实现原理

• LinkedHashMap底层使用的结构与HashMap相同，因为LinkedHashMap继承于HashMap.
  区别就在于：LinkedHashMap内部提供了Entry，替换HashMap中的Node.

TreeMap的使用

• 向TreeMap中添加key-value，要求key必须是由同一个类创建的对象
• 因为要照key进行排序：自然排序 、定制排序

使用Properties读取配置文件

//Properties:常用来处理配置文件。key和value都是String类型
public static void main(String[] args)  {
    FileInputStream fis = null;
    try {
        Properties pros = new Properties();

        fis = new FileInputStream("jdbc.properties");
        pros.load(fis);//加载流对应的文件

        String name = pros.getProperty("name");
        String password = pros.getProperty("password");

        System.out.println("name = " + name + ", password = " + password);
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    } finally {
        if(fis != null){
            try {
                fis.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }

        }
    }

Collections工具类

• 作用：操作Collection和Map的工具类

常用方法

• reverse(List)：反转 List 中元素的顺序
• shuffle(List)：对 List 集合元素进行随机排序
• sort(List)：根据元素的自然顺序对指定 List 集合元素升序排序
• sort(List，Comparator)：根据指定的 Comparator 产生的顺序对 List 集合元素进行排序
• 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
• 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)
• Object min(Collection，Comparator)
• 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中的内容复制到dest中
• boolean replaceAll(List list，Object oldVal，Object newVal)：使用新值替换 List 对象的所旧值
  
• 说明：ArrayList和HashMap都是线程不安全的，如果程序要求线程安全，我们可以将ArrayList、HashMap转换为线程的。
• 使用synchronizedList(List list） 和 synchronizedMap(Map map）