Java集合知识点总结

Java集合

1. java集合框架

Java集合是一种存储对象的容器，从框架图中可以看出，集合框架中主要包含两种类型的基本接口：1.Collection接口，用于存储元素集合，包括List、Set和Queue接口；2.Map接口，用于存储键/值对。

List、Set、Map区别

List：List实现类存储的元素是有序的，可以重复，一般来说检索效率高，但插入和删除效率低（不过具体也要看底层数据结构是数组实现的还是链表）
Set：Set实现类存储的元素无序，不可重复，一般来说检索效率比较低，但是插入和删除效率高
Map：Map采用键值对(key-value)存储，每个键最多映射一个值，可以通过key快速查找元素

下面分别介绍Collection接口和Map接口下的一些具体实现类。

2. Collection

List

查阅官方文档可知，List接口的实现类共计十个，其中最常使用的有 ArrayList和LinkedList。

1. ArrayList
   底层采用数组实现，数组大小可以动态变化，适用于需要大量随机访问数组元素的情景，但插入和删除效率低，可能需要大量移动元素。该类非同步，线程不安全，如果有多个线程同时访问，并且至少有一个线程在结构上进行了修改，则必须在外部进行同步。
   ArrayList扩容机制
2. LinkedList
   底层采用双向链表实现，因此插入和删除元素效率比较高，但是在具体位置进行插入或删除时，也要从头开始遍历。与ArrayList一样也是非同步的，不保证线程安全。
3. 二者比较
   (1) 底层实现机制不同，导致某些操作如查找、删除等的时间复杂度存在较大差异。
   (2) 都是非同步的，线程不安全。
   (3) ArrayList支持随机访问，LinkedList不可以，必须遍历集合以找到对应位置。

故对LinkedList进行遍历输出时，不要使用for循环，最好使用foreach或迭代器iterator，在for循环中，每次都调用一次LinkedList的get函数，时间复杂度为O(n)
具体请看： ArrayList和LinkedList的几种循环遍历方式及性能对比分析

Set

1. HashSet
   Set常用类，底层采用HashMap实现，元素存取无序，索引位置根据哈希值来确定，因此查找、删除、添加性能良好。线程不安全。

   HashSet元素添加机制：
   首先调用hashCode()方法获取元素的哈希值，然后计算得到元素的索引位置。如果集合中没有元素的哈希值与之相同，则添加成功；否则调用equals方法判断两个元素是否完全相同，如果相同则添加失败，否则以链表形式存储在该索引位置，添加成功。

因此使用HashSet一定要重写hashCode()和equals()方法，否则可能插入内容相同的两个对象。
参看：hashCode()和equals()方法详解

3. LinkedHashSet
   HashSet的子类，使用双向链表保证元素的添加顺序，因此可按添加顺序遍历，也不允许元素重复。

4. TreeSet
   TreeSet底层采用红黑树结构来存储元素，能按添加顺序遍历元素，排序方式有自然排序和定制排序。自然排序要求添加的实例类实现了Comparable接口，并重写接口中的compareTo方法。定制排序可以通过将实现Comparator接口的实例作为参数传入TreeSet的构造方法中，在实现Comparator接口时通过重写其对应的compare方法来实现自定义的排序。

   以上三种Set类都是非同步的，线程不安全。

3. Map

HashMap

Map家族中使用频率非常高的成员。
底层采用数组+链表+红黑树(链表长度大于阈值时转为红黑树，默认阈值为8)存储元素，与HashSet相似，不保证元素的添加顺序。
HashMap的key值不可重复，可取null值，但也只能有一个null值，任意引用类型的数据都可作为key值传入，但是要重写hashCode()和equals()方法以确保传入键值的唯一性。

HashMap的put操作：

1. 判断数组是否为空，如果为空则进行扩容；

2. 根据key值得到该对象对应的哈希值，然后根据哈希算法(高位运算+取模)计算得到待插入的索引位置；

3. 若该索引位置尚未存储数据，直接插入；否则判断该位置的首个元素是否和待插入对象相同，相同则直接覆盖value值，添加成功；

4. 若该索引位置为链表，遍历链表，若有相同元素直接覆盖，若无判断链表长度是否大于8，大于8则转为红黑树进行添加操作，否则直接在链表中添加；

5. 若该索引位置为红黑树，则在树中插入键值对，有相同元素覆盖即可。

   添加前后都会进行容量判断，看是否需要扩容。

   参看：HashMap详解

还有一个需要注意的点就是HashMap的容量大小始终保证为2的幂次方 ，这是因为在HashMap的哈希算法中是采用(n-1)&hashValue来进行取模运算，进而计算元素存放的数组下标的，其中n为数组大小。
&运算符相较于%的取模操作，运行效率更高，但能用hash&(n-1)代替hash%n来取模的前提条件就是n要是2的幂次方

LinkedHashMap

是HashMap的子类，但在其基础上用双向链表来保证元素的迭代顺序，因此性能相对于HashMap来说较低。

TreeMap

TreeMap底层采用红黑树实现，与TreeSet类似，TreeMap根据键的自然顺序排序，或者根据映射创建时提供的比较器排序，这取决于使用的是何种构造函数。

上述都是线程不安全的，如果要保证线程安全可以使用ConcurrentHashMap。

4. 总结

在使用过程中具体要选择哪种集合作为容器，要根据不同集合的特点并结合自身需求而定。
如果要采用键值对存储，则考虑Map家族成员，有迭代顺序要求则考虑LinkedHashMap或TreeMap，没有顺序要求则考虑HashMap。
如果不需要采用键值对且不要求元素唯一性，则考虑List下的实现类，有排序要求选择LinkedList，没有则选择ArrayList。要求元素不能重复，则考虑Set接口下的实现类，包括HashSet、LinkedHashSet、TreeSet等。

参考

1. Java API文档-Java Collections Framework
2. Github优秀Java知识点总结-JavaGuide