[Java基础系列第4弹]Java集合：一篇全面而实用的指南

Java集合是一种非常强大和灵活的数据结构，它可以用来存储和操作各种类型的对象。Java集合框架是一套提供了多种集合实现和算法的类和接口，它可以帮助我们简化编程和提高效率。本文将介绍Java集合的基本概念、分类、特点和用法，以及一些常见的问题和注意事项。

目录

一、Java集合的基本概念

二、Java集合的分类

三、Java集合的特点和用法

四、Java集合的常见问题和注意事项

1.集合的选择

2.集合的遍历

3.集合的转换

五、Java集合的总结

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一、Java集合的基本概念

        Java集合是一种容器，它可以存储多个对象的引用，而不是对象本身。这样可以节省内存空间，也可以方便地对对象进行管理和操作。Java集合有两个根接口：Collection和Map。Collection接口表示一组对象，它有三个主要的子接口：List、Set和Queue。Map接口表示一组键值对，它有两个主要的子接口：SortedMap和NavigableMap。

• Collection接口：Collection接口定义了一些通用的方法，如添加、删除、遍历、判断是否包含等，它是所有集合类的父接口。
• List接口：List接口继承了Collection接口，它表示一个有序的、可重复的序列，它允许通过索引访问元素，也支持插入、删除、替换等操作。List接口的主要实现类有ArrayList、LinkedList、Vector和Stack等。
• Set接口：Set接口也继承了Collection接口，它表示一个无序的、不可重复的集合，它不允许存储相同的元素，也不保证元素的顺序。Set接口的主要实现类有HashSet、LinkedHashSet、TreeSet和EnumSet等。
• Queue接口：Queue接口是Collection接口的子接口，它表示一个先进先出（FIFO）的队列，它提供了入队、出队、查看队首等操作。Queue接口的主要实现类有LinkedList、ArrayDeque、PriorityQueue和ConcurrentLinkedQueue等。
• Map接口：Map接口定义了一些操作键值对的方法，如添加、删除、查找、遍历等，它是所有映射类的父接口。
• SortedMap接口：SortedMap接口继承了Map接口，它表示一个按照键排序的映射，它提供了一些获取子映射、获取第一个或最后一个键值对等方法。SortedMap接口的主要实现类是TreeMap。
• NavigableMap接口：NavigableMap接口继承了SortedMap接口，它表示一个支持导航方法的映射，它提供了一些获取最近匹配键或键值对等方法。NavigableMap接口的主要实现类也是TreeMap。

二、Java集合的分类

根据集合是否有序、是否可重复、是否支持索引等特点，我们可以将Java集合分为以下几类：

• 有序可重复：List
• 有序不可重复：SortedSet
• 无序可重复：Queue
• 无序不可重复：Set
• 键值对映射：Map

三、Java集合的特点和用法

        每种集合都有自己的特点和用法，我们需要根据具体的需求选择合适的集合来使用。下面我们简单介绍一下常用集合的特点和用法：

• ArrayList：ArrayList是基于动态数组实现的List类，它支持随机访问，但是插入和删除效率较低，因为需要移动元素。ArrayList适合用于频繁访问但不频繁修改的场景。
• LinkedList：LinkedList是基于双向链表实现的List类，它也实现了Queue接口，因此可以作为队列使用。LinkedList支持快速的插入和删除，但是随机访问效率较低，因为需要遍历元素。LinkedList适合用于频繁修改但不频繁访问的场景。
• Vector：Vector是一个线程安全的List类，它和ArrayList类似，但是由于同步的开销，它的性能比ArrayList低。Vector适合用于多线程环境下的访问和修改。
• Stack：Stack是一个继承自Vector的子类，它实现了一个后进先出（LIFO）的栈结构，它提供了压栈、弹栈、查看栈顶等方法。Stack适合用于实现一些需要后进先出特性的算法，如逆波兰表达式、深度优先搜索等。
• HashSet：HashSet是基于哈希表实现的Set类，它存储的元素是无序的、不可重复的，它可以快速地判断一个元素是否存在于集合中，但是不能保证元素的顺序。HashSet适合用于存储不重复的元素，并且不关心元素的顺序。
• LinkedHashSet：LinkedHashSet是一个继承自HashSet的子类，它在哈希表的基础上增加了一个双向链表，用来维护元素的插入顺序。LinkedHashSet存储的元素是有序的、不可重复的，它可以保证元素的插入顺序，但是性能比HashSet略低。LinkedHashSet适合用于存储不重复的元素，并且需要保持元素的插入顺序。
• TreeSet：TreeSet是基于红黑树实现的SortedSet类，它存储的元素是有序的、不可重复的，它可以对元素进行自然排序或者指定排序规则。TreeSet适合用于存储不重复的元素，并且需要对元素进行排序或者获取子集等操作。
• EnumSet：EnumSet是一个专门用来存储枚举类型元素的Set类，它是一个抽象类，有两个内部实现类：RegularEnumSet和JumboEnumSet。EnumSet存储的元素是有序的、不可重复的，它使用位向量来表示枚举常量，因此效率非常高。EnumSet适合用于存储枚举类型的元素，并且需要对元素进行位运算等操作。
• ArrayDeque：ArrayDeque是基于动态数组实现的双端队列（Deque）类，它既可以作为队列使用，也可以作为栈使用。ArrayDeque支持快速地在两端插入和删除元素，但是随机访问效率较低。ArrayDeque适合用于实现一些需要双端操作特性的算法，如广度优先搜索、回溯法等。
• PriorityQueue：PriorityQueue是基于堆实现的优先队列（Priority Queue）类，它存储的元素是按照优先级排序的，每次出队都会返回最小（或最大）元素。PriorityQueue支持快速地获取最小（或最大）元素，但是随机访问效率较低。PriorityQueue适合用于实现一些需要按照优先级处理元素的算法，如贪心法、Dijkstra算法等。
• HashMap：HashMap是基于哈希表实现的Map类，它存储的键值对是无序的、可重复（键不可重复）的，它可以快速地根据键来查找或者添加值，但是不能保证键值对的顺序。
• LinkedHashMap：LinkedHashMap是一个继承自HashMap的子类，它在哈希表的基础上增加了一个双向链表，用来维护键值对的插入顺序。LinkedHashMap存储的键值对是有序的、可重复（键不可重复）的，它可以保证键值对的插入顺序，但是性能比HashMap略低。LinkedHashMap适合用于存储键值对，并且需要保持键值对的插入顺序。
• TreeMap：TreeMap是基于红黑树实现的NavigableMap类，它存储的键值对是有序的、可重复（键不可重复）的，它可以对键进行自然排序或者指定排序规则。TreeMap适合用于存储键值对，并且需要对键进行排序或者获取子映射等操作。
• EnumMap：EnumMap是一个专门用来存储枚举类型键的Map类，它是一个抽象类，有两个内部实现类：RegularEnumMap和JumboEnumMap。EnumMap存储的键值对是有序的、可重复（键不可重复）的，它使用数组来表示枚举常量，因此效率非常高。EnumMap适合用于存储枚举类型的键，并且需要对键进行位运算等操作。
• Hashtable：Hashtable是一个线程安全的Map类，它和HashMap类似，但是由于同步的开销，它的性能比HashMap低。Hashtable适合用于多线程环境下的存储和查找。
• Properties：Properties是一个继承自Hashtable的子类，它用来存储一些属性信息，它可以从文件或者流中加载和保存属性，也可以使用XML格式来表示属性。Properties适合用于存储一些配置信息，并且需要进行文件或者流的操作。

四、Java集合的常见问题和注意事项

        在使用Java集合时，我们可能会遇到一些问题或者需要注意一些细节，下面我们列举一些常见的问题和注意事项：

1.集合的选择

        根据不同的需求和场景，我们需要选择合适的集合来使用，以提高效率和简化编程。一般来说，我们可以根据以下几个方面来选择集合：

• 是否需要有序：如果需要保证元素或者键值对的顺序，我们可以选择List、LinkedHashSet、LinkedHashMap、SortedSet、SortedMap或者NavigableMap等；如果不需要保证顺序，我们可以选择Set、HashSet、HashMap等。
• 是否需要可重复：如果需要允许元素或者键重复，我们可以选择List、Queue、Map等；如果不需要允许重复，我们可以选择Set、SortedSet等。
• 是否需要支持索引：如果需要通过索引来访问或者修改元素，我们可以选择List、Vector、Stack等；如果不需要支持索引，我们可以选择Set、Queue、Map等。
• 是否需要线程安全：如果需要在多线程环境下使用集合，我们可以选择Vector、Stack、Hashtable、Properties等；如果不需要线程安全，我们可以选择ArrayList、LinkedList、HashSet、HashMap等。
• 是否需要排序或者导航：如果需要对元素或者键进行排序或者获取子集等操作，我们可以选择SortedSet、SortedMap或者NavigableMap等；如果不需要排序或者导航，我们可以选择其他集合。

2.集合的遍历

（1）使用迭代器（Iterator）：迭代器是一种通用的遍历方式，它可以适用于所有实现了Iterable接口的集合类，它提供了hasNext()和next()方法来判断是否有下一个元素并获取下一个元素，也提供了remove()方法来删除当前元素。使用迭代器遍历集合时，我们需要注意以下几点：

• 在遍历过程中，如果使用集合的方法修改了集合的结构（如添加或删除元素），会导致迭代器失效，抛出ConcurrentModificationException异常，因此我们应该避免在遍历过程中修改集合，或者使用迭代器的remove()方法来删除元素。
• 在遍历过程中，如果使用迭代器的remove()方法删除了元素，会导致集合的大小减少，因此我们应该注意更新集合的大小，或者使用for-each循环来遍历集合。
• 在遍历过程中，如果使用迭代器的next()方法获取了元素，会导致迭代器的指针后移，因此我们应该注意保存当前元素的引用，或者使用while循环来遍历集合。

（2）使用for-each循环：for-each循环是一种简化的遍历方式，它可以适用于所有实现了Iterable接口的集合类，它使用冒号（:）来分隔集合和元素，它会自动调用迭代器来遍历集合。使用for-each循环遍历集合时，我们需要注意以下几点：

• 在遍历过程中，如果使用集合的方法修改了集合的结构（如添加或删除元素），会导致迭代器失效，抛出ConcurrentModificationException异常，因此我们应该避免在遍历过程中修改集合。
• 在遍历过程中，如果需要修改元素的值，我们不能直接对元素进行赋值操作，因为这样只会改变元素的引用，而不会改变集合中的元素。我们应该使用集合的set()或者put()等方法来修改元素的值。

（3）使用列表迭代器（ListIterator）：列表迭代器是一种特殊的迭代器，它只能适用于实现了List接口的集合类，它提供了hasPrevious()和previous()方法来判断是否有上一个元素并获取上一个元素，也提供了add()和set()方法来添加和修改元素。使用列表迭代器遍历集合时，我们需要注意以下几点：

• 在遍历过程中，如果使用列表迭代器的add()或者set()方法修改了集合的结构（如添加或修改元素），不会导致列表迭代器失效，因为列表迭代器会自动调整指针位置。但是如果使用其他方式修改了集合的结构（如使用集合的方法添加或删除元素），仍然会导致列表迭代器失效，抛出ConcurrentModificationException异常。
• 在遍历过程中，如果需要获取当前元素的索引位置，我们可以使用列表迭代器的nextIndex()或者previousIndex()方法来获取。但是我们应该注意这些索引位置是相对于列表迭代器而不是相对于集合本身的。

3.集合的转换

有时候我们需要将一种集合转换为另一种集合，或者将数组和集合相互转换，我们可以使用以下几种方式来实现集合的转换：

• 使用构造器：我们可以使用一种集合的构造器来接收另一种集合作为参数，从而创建一个新的集合，这样可以实现集合之间的转换。例如，我们可以使用ArrayList的构造器来接收一个HashSet作为参数，从而创建一个ArrayList。这种方式的优点是简单方便，缺点是需要创建一个新的集合对象，可能会占用额外的内存空间。
• 使用addAll()方法：我们可以使用一种集合的addAll()方法来接收另一种集合作为参数，从而将其所有元素添加到当前集合中，这样可以实现集合之间的转换。例如，我们可以使用一个ArrayList对象调用addAll()方法来接收一个HashSet作为参数，从而将HashSet中的所有元素添加到ArrayList中。这种方式的优点是不需要创建一个新的集合对象，缺点是需要修改当前集合的内容，可能会影响原有的逻辑。
• 使用Arrays类：我们可以使用Arrays类提供的一些静态方法来实现数组和集合之间的转换。例如，我们可以使用Arrays.asList()方法来接收一个数组作为参数，从而返回一个List对象；我们也可以使用Arrays.copyOf()方法来接收一个List对象作为参数，从而返回一个数组。这种方式的优点是通用且高效，缺点是需要注意返回的List对象是一个固定大小的视图，不支持添加或删除元素；而返回的数组是一个新的副本，不会影响原有的数组。
• 使用Collections类：我们可以使用Collections类提供的一些静态方法来实现集合之间的转换。例如，我们可以使用Collections.unmodifiableList()方法来接收一个List对象作为参数，从而返回一个不可修改的List对象；我们也可以使用Collections.synchronizedList()方法来接收一个List对象作为参数，从而返回一个线程安全的List对象。这种方式的优点是可以提供一些特殊功能和属性的集合对象，缺点是需要注意返回的集合对象是一个包装类，不是一个真正的集合类。

五、Java集合的总结

        Java集合是一种非常强大和灵活的数据结构，它可以用来存储和操作各种类型的对象。Java集合框架是一套提供了多种集合实现和算法的类和接口，它可以帮助我们简化编程和提高效率。在使用Java集合时，我们需要了解Java集合的基本概念、分类、特点和用法，以及一些常见的问题和注意事项。通过掌握Java集合，我们可以更好地处理数据和逻辑问题，并且编写出高质量和高性能的代码。