Java集合底层原理总结
文章目录
- 一、集合分类
- 二、遍历集合方式
- 三、单列集合
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- 3.1 List
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- 3.1.1 ArrayList底层分析
- 3.1.2 LinkedList底层分析
- 3.2 Set
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- 3.2.1 HashSet（无序）底层分析
- 3.2.2 LinkedHashSet（有序，存取一致）
- 3.2.3 TreeSet（可排序)
- 四、双列集合Map
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- 4.1 HashMap（无序）
- 4.2 LinkedHashMap（有序）
- 4.3 TreeMap（可排序）
一、集合分类
- 单列集合（List Set Queue）
- 双列集合（Map）
注意点：Collection是一个接口，Collections是一个工具类，Map不是Collection的子接口。
二、遍历集合方式
创建一个List集合：
List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("1");
list.add("2");
list.add("3");
- 传统for循环下标索引（只适合List）
for(int i = 0; i < list.size(); i++) {
System.out.println(list.get(i));
}
缺点：只有List能使用；通过get方法获取元素效率较低。
- iterator迭代器循环（读取时不能对元素进行添加删除）
// 获取迭代器
Iterator<String> iterator = list.iterator();
// hasNext()判断迭代器当前指向是否存在值，next()得到当前迭代器指向的值并后移一位
while(iterator.hasNext()) {
System.out.println(iterator.next());
}
注意点：使用迭代器时不能对集合进行添加或删除元素。
- 增强for循环（对增强for循环内的值进行修改是不会影响集合本身的）
for(String s: list) {
s = "12";
System.out.println(s);
}
for(String s: list) {
System.out.println(s);
}
注意点：
第一次增强for循环输出的是三次12，第二次增强for循环输出的是1 2 3，显然第一次循环对集合的修改不会影响集合本身的值；
同样，增强for循环是基于iterator实现的，因此在使用时不能添加或删除元素。
- lambda表达式
list.forEach(s -> System.out.println(s));
总结：传统的通过索引取值的方式只适合List且效率较低；
通过迭代器获取元素效率较高，并且增强for循环简化了获取迭代器的步骤，推荐使用；
lambda表达式代码最简单，但可读性差，推荐在代码简单时使用。
三、单列集合
3.1 List
List特点：有序（存和取顺序一致），可重复，有索引。
List分为ArrayList和LinkedList。
3.1.1 ArrayList底层分析
1.开始创建一个新数组时，数组大小size为0
2.向数组添加一个元素时，数组大小初始化size为10
3.当添加一个元素时，超过了数组大小10，数组进行扩容，扩容为原来大小的1.5倍，也就是15
4.当一次添加多个元素时，超过了数组大小15，数组进行扩容，此时不再扩大为原来的1.5倍，而以新添加的元素大小为准
例如添加100个元素，此时数组大小为15+100=115
注意点：ArrayList是一个动态数组，初始大小为10。当添加第一个元素时，数组大小才为10，否则为空。当添加单个元素时，超过数组大小则数组扩容为原来的1.5倍，当添加多个元素时，超过数组大小则以添加的元素多少进行扩容。
数组（Array）和ArrayList的区别：
1.数组可以包含基本数据类型和对象，ArrayList只能包含对象；
2.数组大小是固定的，ArrayList是动态变化的；
3.ArrayList提供了更多方法和特性。
3.1.2 LinkedList底层分析
LinkedList底层是一个双向链表。链表结点由前一个地址值，当前元素，下一个地址值三部分组成，还存储了链表中的第一个和最后一个结点地址。
由于LinkedList是一个双向链表，可以实现队列和栈。
3.2 Set
Set特点：无序（输入的顺序和输出的顺序不一定一样），不可重复，无索引。
Set下的实现类如下图所示，Set分别被HashSet、TreeSet实现，HashSet下还有一个LinkedHashSet类。
预备知识：平衡二叉树（任意结点的左右子树高度不超过1）、红黑树（是一个二叉查找树但不是高度平衡，满足特有的红黑规则）
hashCode方法默认根据地址值计算哈希值，一般需要重写，重写根据对象属性值计算哈希值，那么只要对象属性值相同，计算出来的哈希值就相同。
hashCode计算出来的哈希值可能会出现重复的情况。
3.2.1 HashSet（无序）底层分析
特点：无序，不可重复，无索引。
底层结构：哈希表（JDK8以前：数组+链表，JDK8以后：数组+链表+红黑树）
实现：
1.创建一个默认长度为16，默认加载因子为0.75的数组。
2.根据哈希值和数组大小计算存入位置。idx =h & (length - 1)。
3.判断存入位置是否为空，若为空，直接存入。
4.若不为空，调用equals比较属性值是否一样。
5.若一样，则不用存入，若不一样，则形成链表存入。
JDK8以前：新元素存入数组，老元素挂在新元素下面
JDK8以后：新元素直接挂在老元素下面
6.若超过16*0.75=12数组大小，则扩容数组大小两倍为32。
7.JDK8以后，当链表长度超过8且数组长度大于等于64时，链表转换为红黑树。
为什么HashSet是无序的？
当HashSet取元素时，按数组遍历，再根据数组中的链表遍历，因此存取是无序的。
为什么HashSet无法通过索引取值？
由于HashSet是由数组+链表+红黑树组成的，因此不方便使用索引读取。
HashSet是如何保证无重复元素的？
通过HashCode和equals保证HashSet内部元素是不重复的。
HashSet默认创建长度16，加载因子0.75的数组。
3.2.2 LinkedHashSet（有序，存取一致）
特点：有序，不可重复，无索引。
继承HashSet。
实现：
基于哈希表，额外使用双链表记录结点存储顺序。
3.2.3 TreeSet（可排序)
特点：可排序，不可重复，无索引。默认输出数值从小到大进行排序，字符字符串按ASCII码表中的数字升序进行排序）。
实现：底层是红黑树（不需要重写hashCode和equals），增删改查性能较好。
四、双列集合Map
HashSet、LinkedHashMap、TreeSet底层都是基于Map实现的，也就是Map中的底层结构是和Set类似的，只是Map中是根据Key值判断是否存在某元素。我们只要熟悉了Set，Map的原理和Set都是类似的。
4.1 HashMap（无序）
原理类似HashSet。
通过键计算哈希值，如果存入位置不为空，判断属性值是否一样，若一样，替换原来的值。
4.2 LinkedHashMap（有序）
同上，基于双链表实现输入和输出一致。
4.3 TreeMap（可排序）
同上，基于红黑树实现输出的升序。