Java集合：List、Set和Map需要注意的5个问题
前言
Java集合中的List、Set和Map作为Java集合食物链的顶级，可谓是各有千秋。本文将对于List、Set和Map之间的联系与区别进行介绍，以及这三者衍生出来的问题进行介绍（若无特地说明，jdk版本皆为1.8）：
- List、Set和Map的联系和区别是什么？
- List、Set和Map的使用场景有哪些？
- List与Set之间的怎么转换？
- Set是怎么保证元素不重复？
- 如何在遍历的同时删除ArrayList中的元素？
1. List、Set和Map的联系和区别
List和Set是Collection的实现类，而Map与Collection是属于“同级“。
List
List的特性：
- List允许插入重复元素；
- List允许插入多个null元素；
- List作为有序集合，保证了元素按照插入的顺序进行排列；
- List提供ListIterator迭代器，可以提供双向访问的功能；
- List常用的实现类有：可随意访问元素的ArrayList、应用于增删频繁的LinkedList、利用synchronized关键字实现线程安全的Vector等。
Set
Set的特性：
- Set不包含重复元素；
- Set只允许一个null元素的存在；
- Set接口较为流行的实现类有：基于HashMap实现的HashSet、实现SortedSet接口且能更具compare()和compareTo()的定义进行排序的TreeSet等。
Map
Map的特性：
- 存储结构是键值对，一个键对应一个值；
- 不允许包含重复的键，Map可能会持有相同的值对象，但键对象必须是唯一的；
- 在Map中可以有多个null值，但最多只能有一个null键；
- Map不是Collection的子接口或实现类**，Map是跟Collection“同级”的接口**；
- Map中比较流行的实现类是采用散列函数的HashMap、以及利用红黑树实现排序的TreeMap等。
2. List、Set和Map的使用场景
上文我们介绍完了List、Set和Map之间的联系和区别，接下来我们来看下这三者在使用场景上的差异。
List
如果经常使用索引来访问元素，或者是需要能够按照插入顺序进行存储，List会是不错的选择。
- 需要使用索引来访问容器的元素，ArrayList可以提供更快速的访问（底层是数组实现）；
- 需要经常增删元素，LinkedList则会是最佳的选择（底层是链表实现）；
- 数据量不大，并且有线程安全（synchronized关键字）的要求，可以选择Vector；
- 有线程安全（ReentrantLock实现）和性能的要求，读多写少的情况，CopyOnWriteArrayList会是更好的选择。
Set
想要保证插入元素的唯一性，可以选择Set的实现类。
- 需要快速查询元素，可以使用HashSet（采用散列函数）；
- 如果有排序元素的需要，可以使用TreeSet（采用红黑树的树结构排序元素）；
- 急需要加快查询速度，还需要按插入顺序来存储数据，LinkedHashSet是最好的选择（采用散列函数的同时，还使用链表维护元素的次序）。
Map
如果需要按键值对
- 需要快速查询键值元素，可以使用HashMap（采用散列函数）；
- 如果需要将键进行排序，可以使用TreeMap（按照红黑树对键进行排序）；
- 在存储数据少，不允许有null值，又有线程安全（synchronized关键字）的要求，可以选择Hashtable（父类是Dictionary）；
- 如果需要线程安全（Node+CAS+Synchronized），且有数据量和性能要求，ConcurrentHashMap是最佳的选择。
3. List与Set之间的转换
因为List和Set都实现了Collection接口中的addAll(Collection c)方法，而且List和Set也提供了Collection c为参数的构造函数，所以可以采用构造函数的形式，完成List和Set的互相转换。
addAll(Collection c)方法
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
boolean modified = false;
for (E e : c)
if (add(e))
modified = true;
return modified;
}
以Set接口的实现类HashSet为例，其提供了Collection c为参数的构造函数。
public HashSet(Collection<? extends E> c) {
map = new HashMap<>(Math.max((int) (c.size()/.75f) + 1, 16));
addAll(c);
}
以List接口的实现类ArrayList为例，也可以看到它提供了Collection c为参数的构造函数。
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
elementData = c.toArray();
.......
}
所以我们可以得到Set与List之间的转换方式：
Set<Integer> set = new HashSet<>(list); //List转Set
List<Integer> list = new ArrayList<>(set); //Set转List
4. Set是怎么保证元素不重复？
我们以Set接口最流行的实现类HashSet为例，对Set保证元素不重复的原因进行介绍。
private transient HashMap<E,Object> map;
public boolean add(E e) {
//如果return true，则表示不包含此元素
return map.put(e, PRESENT)==null;
}
从上可知，HashSet是依赖HashMap得以实现，其中添加的元素作为HashMap的键来存储。所以接下来就是在介绍“HashMap是怎么保证不允许有相同的键存在”了。
public V put(K key, V value) {
//倒数第二个参数为false，表示允许旧值替换
//最后一个参数为true，表示HashMap不处于创建模式
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
在这里，我们可以看到在进行putVal()方法之前，会将key代入hash()方法中进行散列。
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
//如果哈希表为空，调用resize()方法创建一个哈希表，并用n记录哈希表的长度
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
//如果指定参数hash（key的hashCode()值）在表中没有对应的桶，即没有碰撞
//(n-1)&hash计算key将被放置的槽位
//(n-1)&hash本质上是hash%n，只是位运算更快
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
//如果没有碰撞，直接将键值对插入到map中即可
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
//如果桶中已经存在了元素
Node<K,V> e; K k;
//比较桶中的第一个元素（数组中的结点）的hash值、key是否相等
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
//如果相等，则将第一个元素p用e来记录
e = p;
else if (p instanceof TreeNode) //当前桶中无该键值对，且桶的结构为红黑树，则按照红黑树结构的规则插入元素
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
//如果桶中无该键值对，且桶的结构为链表，则按照链表结构将元素插入到尾部
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
//遍历到链表尾部
p.next = newNode(hash, key, value, null);
//检查链表长度是否达到阈值，达到则将该槽位的节点组织形式，转化为红黑树
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
//链表节点中的元素与put操作控制的元素相同时，不做重复操作，直接跳出程序
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e;
}
}
// 如果put操作控制的元素的key和hashCode，与已经插入的元素相等时，执行以下操作
if (e != null) {
// existing mapping for key
// oldValue记录e的value
V oldValue = e.value;
// onlyIfAbsent为false，或旧值为null时，允许替换旧值，否则无需替换
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
//访问后回调
afterNodeAccess(e);
//返回旧值
return oldValue;
}
}
// 更新结构化修改信息
++modCount;
// 键值对数目如果超过阈值时，执行resize()方法
if (++size > threshold)
resize();
// 插入后回调
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
从以上源码中我们可以看出，将一个键值对
当HashSet中的add()方法里，map.put(e, PRESENT) == null为false时，HashSet添加元素失败。所以如果向HashSet中添加一个已经存在的元素，新添加的元素不会覆盖原来已有的元素。
5. 如何在遍历的同时删除ArrayList中的元素？
平时我们可能会觉得遍历ArrayList并删除其中元素是一件很简单的事情，但其实这个操作很容易出bug，接下来我们一起看下怎么样绕过这些坑。
从后向前遍历元素
我们先从前向后遍历的同时，进行删除元素：
public static void main(String[] args){
List<Integer> list = new ArrayList<>();
list.add(1);
list.add(2);
list.add(3);
list.add(3);
list.add(4);
for(int i=0; i<list.size()-1; i++){
if(list.get(i) == 3){
list.remove(new Integer(3));
}
}
System.out.println(list);
}
运行结果为：
[1, 2, 3, 4]
造成这个现象的原因，在【Java集合】ArrayList的使用及原理中笔者稍有提及。在于ArrayList执行remove()操作时，将既定元素删除时还把该元素后的所有元素向前移动一位。这就导致了在遍历[1,2,3,3,4]时，删除前一个元素“3”后，将其后元素向前移动一位，因下标[2]已经被遍历过了，所以就遗漏了第二个“3”。
对于这个问题，我们只需要换个遍历的角度即可——从后往前遍历：
for(int i=list.size()-1; i>=0; i--){
if(list.get(i) == 3){
list.remove(new Integer(3));
}
}
运行结果为：
[1, 2, 4]
从后往前遍历，在删除某一元素之后，也不用担心在遍历过程中会遗漏元素。
Iterator.remove()
除了上述遍历方法，还有一种遍历方式是我们经常使用的——for-each遍历：
for(Integer i : list){
if(i == 3){
list.remove(new Integer(3));
}
}
运行结果：
Exception in thread "main" java.util.ConcurrentModificationException
at java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(ArrayList.java:901)
at java.util.ArrayList$Itr.next(ArrayList.java:851)
...
我们知道，for-each的遍历方式其实是Iterator、hashNext()、next()的复合简化版。当点开ArrayList.checkForComodification()方法可以看到：
private class Itr implements Iterator<E> {
......
final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
这里的modCount是ArrayList的，而expectedModCount是Itr的，所以其实出错的地方在于，运行ArrayList.remove()方法时改变了modCount，这就打破了原本modCount == expectedModCount之间和平友好的关系，导致报出并发修改异常。
所以在使用迭代器迭代时（显示或for-each的隐式）不要使用ArrayList.remove()，改为使用Iterator.remove()即可：
Iterator<Integer> i = list.iterator();
while(i.hasNext()){
Integer integer = i.next();
if(integer == 3){
i.remove();
}
}
结语
本来昨天就已经写好了，然而电脑一卡，啥都没了，只能重写…
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参考资料：
List、Set、Map的区别
ArrayList循环遍历并删除元素的常见陷阱
Java中Set集合是如何实现添加元素保证不重复的？
本文已经授权以原创的方式发布在微信公众号Java后端。