Java集合常问知识点

简单介绍几个常用的集合类，也是经常在面试的被问到的，所以特此收集了一些笔记，不是非常详细，文中有什么错误的地方希望指正。

集合（collection）也称为容器（container），一个集合对象可以存储、检索、操作多个不同类型的其他对象，将他们作为一个整体来管理。在Java中提出了集合框架（Collection Framework）的概念，即管理集合的统一架构。主要包括：接口、实现和操作。集合的常用类图如下图：

为了方便逐个访问集合元素，集合继承了接口java.util.Iterator。一个Iterator对象是一个一次性（如果想再次遍历该集合，只能再次获取一个Iterator对象）的对象，用来遍历一次集合中的所有元素。Iterator接口成员函数如下：

函数名称	功能描述
boolean hasNext()	判断集合中还有没有元素
Obejct next()	从集合中读取下一个元素，并将指针往后挪动一格
void remove()	删除当前元素

接着介绍集合，Collection是所有集合的顶层接口，因此所有的集合都支持这些成员函数。它包含了如下几个常用成员函数：

函数名称	功能描述
int size()	返回集合元素个数
boolean isEmpty()	判断集合是否为空
boolean contains(Object element)	判断集合是否包含某个元素
boolean add(Object element)	添加一个元素
booleann remove(Object element)	删除一个元素
Iterator iterator()	用于循环遍历集合

Set

Set集合，两个重要特性：无重（无重复元素）和无序（不记录每个元素的添加顺序）。常用方法如下图：

这个图形象说明set接口中的常用函数的特点，对于add函数，如果集合中存在要添加的元素，则添加失败；使用remove函数时，删除集合中不存在元素就会操作失败。

HashSet

HashSet就是使用了哈希表来存储集合数据，同样具有Set集合的特点，无重无序。观看下面代码的运行结果：

从运行结果可以看出：由于add了两次“Ant”，但是第二次添加是无效的，并且输出的顺序也不是我们添加前后的顺序，这个顺序是不确定的。

TreeSet

除了HashSet，还有另一种Set——TreeSet。它的特点概括：

• 有序，按元素的值从小到大排序
• 元素的存放按照二叉树形式存储，每个父节点最多有两个子节点，并且左大右小
• 要求存入的元素具有比较性，即相应的类实现了Comparable接口，如String和Integer类等

同上面的代码，使用TreeSet集合保存输出，结果如下：

List

按照存入的顺序进行存储，允许重复元素，每个元素都有一个对应的下标（从0开始）。常用函数如下图：

函数名称	功能描述
add(i, o)	在第i个位置插入对象o
add(o)	把对象o添加到集合的末尾
addAll(i, c)	在第i个位置插入集合c中的所有元素
addAll(e)	把集合e中的所有元素都添加到集合的末尾
remove(i)	删除第i个元素
remove(o)	删除对象o的第一次出现
set(i, o)	将第i个元素替换为对象o
get(i)	返回第i个元素
indexOf(o)	返回对象o的第一次出现的下标
lastIndexOf(o)	返回对象o的最后一次出现的下标
listIterator()	返回一个list iterator
subList(i, j)	返回下标i到j之间的元素所构成的子列表

List只是一个接口，不过它有3各常用的实体类：ArrayList、Stack、LinkedList。

ArrayList与LinkedList

便于区别比较，我将ArrayList和LinkedList放一起，面试的时候也经常问这两个之间的区别。ArrayList的存储方式如List差不多，属于直接访问结构，可以通过下标直接访问任意一个元素。并且，与普通的数组相比，ArrayList的长度是可变的。ArrayList示意图如下图：

LinkedList是链表，属于顺序访问结构，正因为链表的各结点不是连续存放的（后一个结点的地址存放在前一个结点中），如果要访问其中的第i个结点，就必须从第一个结点一个个一次往后访问。LinkedList示意图如下图：

此外，对于remove函数，其功能是从列表中删除一个对象。对于ArrayList，由于它的元素是在内存中连续存放的，因此，如果它要删除一个元素，就必须把该元素右边的所有元素都往左移动一个位置，时间开销较大。而对于LinkedList，如果他要删除一个元素，则只要把该元素的左右相邻的元素调整一个即可，时间开销小。而如果要随机访问一个元素，ArrayList就要比LinkedList快很多。那对于删除和添加，LinkedList就比ArrayList快吗？

使用代码测试一下它俩的性能，具体代码为：

public class ArrayListAndLinkedList {
    public static void main(String[] args) {
        int[] num_1 = getRandomNum(10000);
        int[] num_2 = getRandomNum(10000);
        ArrayList<Double> arrayList = new ArrayList<>();
        // 测试LinkedList时将下面代码注解打开，并将上面一行代码注释
        //LinkedList arrayList = new LinkedList<>();
        Double element;
        long start, end;
        // 添加列表元素
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            arrayList.add(new Double(i));
        }
        start = System.nanoTime();
        for (int i = 1; i < 10000; i++) {
            element = arrayList.get(num_1[i]);
            arrayList.set(num_2[i], element);
        }
        end = System.nanoTime();
        System.out.println(arrayList.getClass());
        System.out.println("获取和修改平均所花时间 = " + (end - start) / 10000 + " ns");
        System.out.println("总花时 = " + (end - start) + " ns");
    }

    /**
     * 返回一个0~length-1不重复的随机数
     * @param length
     * @return
     */
    private static int[] getRandomNum(int length) {
        Random random = new Random();
        ArrayList<Integer> integers = new ArrayList<>();
        int[] nums = new int[length];
        for (int i = 0; i < length; i++) {
            integers.add(random.nextInt(i + 1), new Integer(i));
        }
        for (int i = 0; i < length; i++) {
            nums[i] = integers.get(i);
        }
        return nums;
    }
}

运行结果如下图：

从这两个结果来看，对于获取和修改元素操作，LinkedList花费的时间远远大于ArrayList。因为它无法随机访问，让它要访问某一个元素时，只能从头开始，一个个往后访问。更新一个元素的时间复杂度为O(N)。实际上，插入操作本身是很快的，只涉及相邻的几个结点的链接操作，时间复杂度是O(1)，问题是，需要找到操作元素的具体位置需要时间，所以时间复杂度为O(N)。删除操作同理。

Map

所谓Map，即映射，形式为Map，其中键（key）必须唯一（允许一个null的key），值（value）可以重复（包括多个null）。常用函数如下图：

函数名称	功能描述
V put(K key, V value)	将key键所对应的值修改为value
V get(Object key)	返回key对应的值
V remove(Object key)	从集合中删除一个键值对
int size()	返回集合中元素个数
Set keySet()	返回一个Set集合，包含所有键（从小）
Collection values()	返回一个Collection集合，包含所有值

HashMap

常用的Map集合是HashMap，它等同于另一个类HashTable，两者在功能上差不多，但是HashTable已经过时，尽量不要使用。下面看一个简单的例子。

首先不难看出对于在同一个key上添加重复的值，是执行的更新操作，会覆盖原先的值，还可以看到键的输出并不是按照插入的顺序输出的，那到底是按照什么顺序呢？我又添加了几个小数格式的字符串，先后输出了每个键的ASCII码和hash值，发现只有hash值的大小顺序能够和值的顺序对应。开始的时候并没有想到它会在put添加的时候就以hash大小存放，而是从keySet()方法探究，但是查看源码发现，此方法并没有对键进行排序。原文截图如下：

翻译如下：

而唯一有排序字眼的seySet()方法是在SortedMap接口中，原文截图如下：

翻译如下：

HashMap以及下面介绍的TreeMap继承的是AbstractMap抽象类，而在AbstractMap类中也没有明显的与SortedMap关系。最后我查看了put方法，发现了原因：

先不看putVal（见名知意），直接点击hash函数：

所以，排序操作是putVal方法利用哈希值完成的。

TreeMap

TreeMap是Map接口的另一个实体类，它和TreeSet一样，都是对集合元素进行了排序。即按照键的大小排序。在keySet方法明确说明了按照返回的key集合是排序的，但是他们对应的值就不要是按照顺序的了。