java学习笔记（11）——集合详解
java学习笔记（11）——集合
1 概述
数组和集合优缺点？
-
相同点：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
-
数组弊端：
数组一旦定义好，其元素的类型也就确定了
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：解决数组存储数据方面的弊端。
2 单列集合框架结构Collection
2.1 Collection接口常用方法
- add(Object e):将元素e添加到集合coll中
- size():获取添加的元素的个数
- addAll(Collection coll1):将coll1集合中的元素添加到当前的集合中
- clear():清空集合元素
- isEmpty():判断当前集合是否为空
public void test1(){
Collection coll = new ArrayList();
//add(Object e):将元素e添加到集合coll中
coll.add("AA");
coll.add("BB");
coll.add(123);//自动装箱
coll.add(new Date());
//size():获取添加的元素的个数
System.out.println(coll.size());//4
//addAll(Collection coll1):将coll1集合中的元素添加到当前的集合中
Collection coll1 = new ArrayList();
coll1.add(456);
coll1.add("CC");
coll.addAll(coll1);
System.out.println(coll.size());//6
System.out.println(coll);
//clear():清空集合元素
coll.clear();
//isEmpty():判断当前集合是否为空
System.out.println(coll.isEmpty());
}
- contains(Object obj):判断当前集合中是否包含obj
- containsAll(Collection coll1):判断形参coll1中的所有元素是否都存在于当前集合中
- remove(Object obj):从当前集合中移除obj元素。
- removeAll(Collection coll1):差集：从当前集合中移除coll1中所有的元素
- retainAll(Collection coll1):交集：获取当前集合和coll1集合的交集，并返回给当前集合
- equals(Object obj):要想返回true，需要当前集合和形参集合的元素都相同。
- hashCode():返回当前对象的哈希值
- 集合 —>数组：toArray()
- 数组 —>集合:调用Arrays类的静态方法asList()
public void test1(){
Collection coll = new ArrayList();
coll.add(123);
coll.add(456);
// Person p = new Person("Jerry",20);
// coll.add(p);
coll.add(new Person("Jerry",20));
coll.add(new String("Tom"));
coll.add(false);
//1.contains(Object obj):判断当前集合中是否包含obj
//我们在判断时会调用obj对象所在类的equals()。
boolean contains = coll.contains(123);
System.out.println(contains);//true
System.out.println(coll.contains(new String("Tom")));//true
// System.out.println(coll.contains(p));//true
System.out.println(coll.contains(new Person("Jerry",20)));//false -->true
//2.containsAll(Collection coll1):判断形参coll1中的所有元素是否都存在于当前集合中。
Collection coll1 = Arrays.asList(123,4567);
System.out.println(coll.containsAll(coll1));
}
@Test
public void test2(){
//3.remove(Object obj):从当前集合中移除obj元素。
Collection coll = new ArrayList();
coll.add(123);
coll.add(456);
coll.add(new Person("Jerry",20));
coll.add(new String("Tom"));
coll.add(false);
coll.remove(1234);
System.out.println(coll);
coll.remove(new Person("Jerry",20));
System.out.println(coll);
//4. removeAll(Collection coll1):差集：从当前集合中移除coll1中所有的元素。
Collection coll1 = Arrays.asList(123,456);
coll.removeAll(coll1);
System.out.println(coll);
}
@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);
//5.retainAll(Collection coll1):交集：获取当前集合和coll1集合的交集，并返回给当前集合
// Collection coll1 = Arrays.asList(123,456,789);
// coll.retainAll(coll1);
// System.out.println(coll);
//6.equals(Object obj):要想返回true，需要当前集合和形参集合的元素都相同。
Collection coll1 = new ArrayList();
coll1.add(456);
coll1.add(123);
coll1.add(new Person("Jerry",20));
coll1.add(new String("Tom"));
coll1.add(false);
System.out.println(coll.equals(coll1));
}
@Test
public void test4(){
Collection coll = new ArrayList();
coll.add(123);
coll.add(456);
coll.add(new Person("Jerry",20));
coll.add(new String("Tom"));
coll.add(false);
//7.hashCode():返回当前对象的哈希值
System.out.println(coll.hashCode());
//8.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()
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
//9.iterator():返回Iterator接口的实例，用于遍历集合元素。放在IteratorTest.java中测试
}
2.2Iterator 和 foreach循环
- 作用：遍历Collection
- 实现：
2.2.1 lterator ：
- 内部的方法：hasNext() 和 next()
- 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。
- 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()
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);
Iterator iterator = coll.iterator();
//方式一：
// System.out.println(iterator.next());
// System.out.println(iterator.next());
// System.out.println(iterator.next());
// System.out.println(iterator.next());
// System.out.println(iterator.next());
// //报异常：NoSuchElementException
// System.out.println(iterator.next());
//方式二：不推荐
// for(int i = 0;i < coll.size();i++){
// System.out.println(iterator.next());
// }
//方式三：推荐
hasNext():判断是否还有下一个元素
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());
}
}
@Test
public void test2(){
Collection coll = new ArrayList();
coll.add(123);
coll.add(456);
coll.add(new Person("Jerry",20));
coll.add(new String("Tom"));
coll.add(false);
//错误方式一：
// Iterator iterator = coll.iterator();
// while((iterator.next()) != null){
// System.out.println(iterator.next());
// }
//错误方式二：
//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。
while (coll.iterator().hasNext()){
System.out.println(coll.iterator().next());
}
}
//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。
@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());
}
}
2.2.2 foreach循环
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)
//内部仍然调用了迭代器。
for(Object obj : coll){
System.out.println(obj);
}
}
@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);
}
}
2.3 List接口
- 存储的数据特点： 存储序的、可重复的数据。
2.3.1 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
2.3.2 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(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。
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
后续的添加和扩容操作与jdk 7 无异。
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。
2.3.3 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。
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;
}
}
2.3.3 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。
2.3.4 Arraylist 与 LinkedList 区别?
- 是否保证线程安全： ArrayList 和 LinkedList 都是不同步的，也就是不保证线程安全；
- 底层数据结构： Arraylist 底层使⽤的是 Object 数组； LinkedList 底层使⽤的是 双向链
表 数据结构 - 插⼊和删除是否受元素位置的影响： ① ArrayList 采⽤数组存储，所以插⼊和删除元素的
时间复杂度受元素位置的影响。 ⽐如：执⾏ add(E e) ⽅法的时候， ArrayList 会默认在将
指定的元素追加到此列表的末尾，这种情况时间复杂度就是 O(1)。但是如果要在指定位置 i
插⼊和删除元素的话（ add(int index, E element) ）时间复杂度就为 O(n-i)。因为在进⾏上述操作的时候集合中第 i 和第 i 个元素之后的(n-i)个元素都要执⾏向后位/向前移⼀位的操作。 ②
LinkedList 采⽤链表存储，所以对于 add(E e) ⽅法的插⼊，删除元素时间复杂度不受元素
位置的影响，近似 O(1)，如果是要在指定位置 i 插⼊和删除元素的话（ (add(int index, E
element) ） 时间复杂度近似为 o(n)) 因为需要先移动到指定位置再插⼊。 - 是否⽀持快速随机访问： LinkedList 不⽀持⾼效的随机元素访问，⽽ ArrayList ⽀持。快
速随机访问就是通过元素的序号快速获取元素对象(对应于 get(int index) ⽅法)。 - 内存空间占⽤： ArrayList 的空 间浪费主要体现在在 list 列表的结尾会预留⼀定的容量空
间，⽽ LinkedList 的空间花费则体现在它的每⼀个元素都需要消耗⽐ ArrayList 更多的空间
（因为要存放直接后继和直接前驱以及数据）。
2.4 Set接口
存储的数据特点：无序的、不可重复的元素
2.4.1 HashSet
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： 保证添加的元素照equals()判断时，不能返回true.即：相同的元素只能添加一个。
3.底层原理
-
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 (n - 1) & hash（这⾥的 n 指的是数组的⻓度） 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3 -
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
总结：七上八下 -
HashSet底层：数组+链表的结构。（前提：jdk7)
4.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
2.4.2 TreeSet的使用
- 向TreeSet中添加的数据，要求是相同类的对象。
- 两种排序方式：自然排序（实现Comparable接口 和 定制排序（Comparator）
3 双列集合框架：Map
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()
3.1 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
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。
-
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。如果equals()返回true:使用value1替换value2。----情况3
-
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：
- new HashMap():底层没创建一个长度为16的数组
- jdk 8底层的数组是：Node[],而非Entry[]
- 首次调用put()方法时，底层创建长度为16的数组
- jdk7底层结构只：数组+链表。jdk8中底层结构：数组+链表+红黑树。
- 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）
- 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
3.2 LinkedHashMap
- 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
4 Collection 和 Collections的区别？
- java.util.Collection 是一个集合接口（集合类的一个顶级接口）。它提供了对集合对象进行基本操作的通用接口方法。Collection接口在Java 类库中有很多具体的实现。Collection接口的意义是为各种具体的集合提供了最大化的统一操作方式，其直接继承接口有List与Set。
- Collections则是集合类的一个工具类/帮助类，其中提供了一系列静态方法，用于对集合中元素进行排序、搜索以及线程安全等各种操作。
- 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
5 常见面试题
5.1 HashMap 和 Hashtable 的区别
- 线程是否安全： HashMap 是⾮线程安全的， HashTable 是线程安全的,因为 HashTable 内
部的⽅法基本都经过 synchronized 修饰。（如果你要保证线程安全的话就使⽤
ConcurrentHashMap 吧！）； - 效率： 因为线程安全的问题， HashMap 要⽐ HashTable 效率⾼⼀点。另外， HashTable
基本被淘汰，不要在代码中使⽤它； - 对 Null key 和 Null value 的⽀持： HashMap 可以存储 null 的 key 和 value，但 null 作为
键只能有⼀个，null 作为值可以有多个；HashTable 不允许有 null 键和 null 值，否则会抛出
NullPointerException 。 - 初始容量⼤⼩和每次扩充容量⼤⼩的不同 ： ① 创建时如果不指定容量初始值， Hashtable
默认的初始⼤⼩为 11，之后每次扩充，容量变为原来的 2n+1。 HashMap 默认的初始化⼤
⼩为 16。之后每次扩充，容量变为原来的 2 倍。② 创建时如果给定了容量初始值，那么
Hashtable 会直接使⽤你给定的⼤⼩，⽽ HashMap 会将其扩充为 2 的幂次⽅⼤⼩
（ HashMap 中的 tableSizeFor() ⽅法保证，下⾯给出了源代码）。也就是说 HashMap 总
是使⽤ 2 的幂作为哈希表的⼤⼩,后⾯会介绍到为什么是 2 的幂次⽅。 - 底层数据结构： JDK1.8 以后的 HashMap 在解决哈希冲突时有了⼤的变化，当链表⻓度
⼤于阈值（默认为 8）（将链表转换成红⿊树前会判断，如果当前数组的⻓度⼩于 64，那么
会选择先进⾏数组扩容，⽽不是转换为红⿊树）时，将链表转化为红⿊树，以减少搜索时
间。Hashtable 没有这样的机制。
5.2 HashMap 和 HashSet区别
HashSet 底层就是基于 HashMap 实现的
5.3 HashMap 的⻓度为什么是2的幂次⽅
采⽤%取余的操作来实现。但是，重点来了：“取余(%)操作中如果除数是2的幂次则等价于与其除数减⼀的与(&)操作（也就是说 **hash%length==hash&(length-1)**的前提是 length 是2的 n 次⽅；）。” 并且 采⽤⼆进制位操作 &，相对于%能够提⾼运算效率，这就解释了 HashMap 的⻓度为什么是2的幂次⽅。
5.4 ConcurrentHashMap
JDK1.7
- ⾸先将数据分为⼀段⼀段的存储，然后给每⼀段数据配⼀把锁，当⼀个线程占⽤锁访问其中⼀个段数据时，其他段的数据也能被其他线程访问。ConcurrentHashMap 是由 Segment 数组结构和 HashEntry 数组结构组成。**Segment 实现了 ReentrantLock ,**所以 Segment 是⼀种可重⼊锁，扮演锁的⻆⾊。 HashEntry ⽤于存储键值对数据。
- ⼀个 ConcurrentHashMap ⾥包含⼀个 Segment 数组。 Segment 的结构和 HashMap 类似，是⼀种数组和链表结构，⼀个 Segment 包含⼀个 HashEntry 数组，每个 HashEntry 是⼀个链表结构的元素，每个 Segment 守护着⼀个 HashEntry 数组⾥的元素，当对 HashEntry 数组的数据进⾏修改时，必须⾸先获得对应的 Segment 的锁。
JDK1.8
- ConcurrentHashMap 取消了 Segment 分段锁，采⽤ CAS 和 synchronized 来保证并发安全。数据结构跟 HashMap1.8 的结构类似，数组+链表/红⿊⼆叉树。
- Java 8 在链表⻓度超过⼀定阈值（8）时将链表（寻址时间复杂度为 O(N)）转换为红⿊树（寻址时间复杂度为 O(log(N))）synchronized 只锁定当前链表或红⿊⼆叉树的⾸节点，这样只要 hash 不冲突，就不会产⽣并发，效率⼜提升 N 倍
5.5 ConcurrentHashMap 和 Hashtable 的区别
ConcurrentHashMap 和 Hashtable 的区别主要体现在实现线程安全的⽅式上不同。
- 底层数据结构： JDK1.7 的 ConcurrentHashMap 底层采⽤ 分段的数组+链表 实现，JDK1.8
采⽤的数据结构跟 HashMap1.8 的结构⼀样，数组+链表/红⿊⼆叉树。 Hashtable 和
JDK1.8 之前的 HashMap 的底层数据结构类似都是采⽤ 数组+链表 的形式，数组是
HashMap 的主体，链表则是主要为了解决哈希冲突⽽存在的； - **实现线程安全的⽅式（重要）： ① 在 JDK1.7 的时候， ConcurrentHashMap （分段锁）
对整个桶数组进⾏了分割分段( Segment )，每⼀把锁只锁容器其中⼀部分数据，多线程访问
容器⾥不同数据段的数据，就不会存在锁竞争，提⾼并发访问率。 到了 JDK1.8 的时候已经
摒弃了 Segment 的概念，⽽是直接⽤ Node 数组+链表+红⿊树的数据结构来实现，并发
控制使⽤ synchronized 和 CAS 来操作。（JDK1.6 以后 对 synchronized 锁做了很多优
化） 整个看起来就像是优化过且线程安全的 HashMap ，虽然在 JDK1.8 中还能看到
Segment 的数据结构，但是已经简化了属性，只是为了兼容旧版本；② Hashtable (同⼀把
锁) :使⽤ synchronized 来保证线程安全，效率⾮常低下。**当⼀个线程访问同步⽅法时，其
他线程也访问同步⽅法，可能会进⼊阻塞或轮询状态，如使⽤ put 添加元素，另⼀个线程不
能使⽤ put 添加元素，也不能使⽤ get，竞争会越来越激烈效率越低。