JavaSE知识点整理---集合篇

1. 数组与集合的区别?

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在Java中，数组和集合都是容器，都可以用来存储多个数据，它们在使用的时候有一些区别：

1、类型：在Java中数组是最基本的数据结构，在内存中是线性存储的，可以用来存储基本数据类型（如int，double等）和引用类型（如对象）。集合(Collection)，在Java中是一种接口，它是一种存储对象的容器，只能存储引用类型的数据。

// 数组
int[] arr1 = new int[5]; //int型数组
String[] arr2 = new String[5]; //对象数组

// 集合对象
List<String> list = ArrayList<>(); //存储Stirng类型数据,如果不指定泛型,它默认类型为object

2、长度：数组在初始化时需要指定长度(大小)，一旦定义，其长度无法改变。而集合的长度是可变的，提供了add()、remove()等方法操作数据；（动态扩容、缩容）

int[] arr = new int[5];  //数组长度为5

3、操作数据：数组可以通过索引直接访问和修改元素，具有较高的访问效率，时间复杂度O(1)。而集合类通常提供了一系列方法来操作元素，例如添加、删除、查找等，对元素的访问需要通过方法调用。

// 1.数组通过索引方式操作数据
int[] arr = new int[5]; //int类似数组,默认值为0
// 添加数据
arr[1]=18;
// 覆盖数据
arr[1]=20;
// 访问数据
System.out.println(arr[1]);//20
// 获取数组长度
System.out.println(arr.length);
  
// 2.集合通过方法调用方式操作数据
List<String> list = ArrayList<>();
// 添加数据
list.add("张三");
list.add("李四");
list.add("王五");
// 删除数据
list.remove(2);
// 获取数据
System.out.println(list.get(1));//李四
// 获取集合中元素的个数
System.out.println(list.size());//2	

4、内存分配方式：数组在内存中是连续存储的，占用的内存空间是固定的。而集合类中的元素可以在内存中不连续存储，可以根据需要动态分配内存空间。

5、功能扩展性：集合类提供了丰富的方法和功能，例如排序、查找、遍历等，可以方便地进行各种操作。而数组的功能相对较少，需要自己编写代码实现相应的功能。

6、泛型：集合支持泛型，可以指定存储的元素类型，提供了更好的类型安全性。（避免类型转换问题）

小结：

• 数组和集合都是容器，可以存储多个数据。
• 数组的长度是固定的，一旦创建，无法改变。
• 集合的长度是可变的，可以动态添加或删除元素。
• 数组可以存储基本类型数据和引用类型数据，而集合只能存储引用类型数据。如果要存储基本类型数据，需要使用对应的包装类。
• 数组可以通过索引方式直接访问元素，而集合通常通过方法调用进行元素的操作和访问。

总的来说，数组适用于长度固定且元素类型简单的情况，而集合适用于长度可变且元素类型复杂的情况。

单列集合：

双列集合：

2. List、Set、Map的区别？

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List、Set和Map是Java中常用的集合接口，它们有以下区别：

• List是一个有序的集合，可以包含重复元素。它允许按照插入顺序访问集合中的元素，并且可以根据索引位置进行操作。常见的实现类有ArrayList、LinkedList 和 Vector。

• Set是一个不允许包含重复元素的集合。它不保证元素的顺序，即不按照插入顺序存储元素。常见的实现类有HashSet、TreeSet 和LinkedHashSet。

  • HashSet：基于哈希表实现，不保证元素的顺序。
  • TreeSet：基于红黑树实现，按照元素的自然顺序或指定的比较器进行排序。
  • LinkedHashSet：基于哈希表和链表实现，保持元素的插入顺序。

• Map是一种键值对的集合，每个键都是唯一的。它允许通过键来访问和操作对应的值。常见的实现类有HashMap、TreeMap和LinkedHashMap、ConcurrentHashMap。

  • HashMap：基于哈希表实现，不保证键值对的顺序。

  • TreeMap：基于红黑树实现，按照键的自然顺序或指定的比较器进行排序。

  • LinkedHashMap：基于哈希表和双向链表实现，保持键值对的插入顺序。

  • ConcurrentHashMap：线程安全的Map。

ConcurrentHashMap：

ConcurrentHashMap位于juc包，它是哈希表的线程安全版本，并且对HashMap进行改进。相比于HashMap，在多线程环境下，ConcurrentHashMap提供了更好的并发性能和线程安全性，主要通过以下几个方面来实现：

• 分段锁：ConcurrentHashMap将整个哈希表分成多个段（Segment），每个段维护着一个独立的哈希表。不同的线程可以同时访问不同的段，从而提高并发性能。每个段都有自己的锁，只有在修改该段的时候才需要加锁，这样可以减小锁的粒度，提高并发性能。
• CAS操作：ConcurrentHashMap使用了CAS（Compare and Swap）操作来保证线程安全。CAS是一种无锁的原子操作，它可以在不使用锁的情况下实现对共享变量的原子操作。
• volatile修饰符：ConcurrentHashMap使用volatile修饰符来保证可见性。volatile修饰的变量对所有线程可见，当一个线程修改了volatile变量的值，其他线程可以立即看到最新的值。

ConcurrentHashMap的使用方式与HashMap类似，可以通过put、get、remove等方法来操作元素。但需要注意的是，虽然ConcurrentHashMap是线程安全的，但在某些情况下，仍然需要额外的同步措施来保证一致性。

3. ArrayList、LinkedList、Vector的区别？

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1、数据结构层面：

• ArrayList底层基于动态数组实现的，适合随机访问元素。
• LinkedList底层基于双向链表实现，适合数据的频繁插入和删除操作。
• Vector和ArrayList类似，底层也是基于动态数组实现的，Vector大部分方法都是线程同步的。（JDK1.0就诞生了）

2、线程安全层面：

• ArrayList和LinkedList在多线程场景下都是不安全的(不提供内置的同步机制)，需要外部同步（同步方法或者锁）。

  • 如何保证ArrayList的线程安全：https://blog.csdn.net/qq_44544908/article/details/129020075

• Vector是线程安全的，因为它的大部分方法都是同步的，但在性能上不如ArrayList和LinkedList。

3、性能层面：

• ArrayList在查询操作方面性能好，因为它底层基于动态数组实现，元素有索引，元素内存空间连续分配，查询操作的时间复杂度是O(1)。在不扩容的情况下，尾部添加元素的性能也很好，时间复杂度为O(1)，而ArrayList在列表的中间或头部插入和删除元素时，需要进行移位操作，所以性能较差，时间复杂度是O(n)，n是列表的长度。
• LinkedList在插入或删除操作性能好(双向链表)，查询操作性能较差。
• Vector由于同步处理，性能较差，不推荐在非线程安全环境中使用。

示例：ArrayList、LinkedList、Vector的使用

package cn.z3inc.list;

import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.List;

/**
 * 测试ArryList、LinkedList、Vector的使用
 *
 * @author 白豆五
 * @version 2023/8/7
 * @since JDK8
 */
public class ListDemo1 {
    public static void main(String[] args) {
        // ArrayList
        List<String> arrayList = new ArrayList<>();
        Collections.addAll(arrayList, "a", "b", "c", "d", "e", "f", "g"); // 批量添加
        System.out.println("arrayList = " + arrayList); // arrayList = [a, b, c, d, e, f, g]
        arrayList.remove(0);
        System.out.println("arrayList = " + arrayList); // arrayList = [b, c, d, e, f, g]

        // LinkedList
        List<String> linkedList = new ArrayList<>();
        Collections.addAll(linkedList, "a", "b", "c", "d", "e", "f", "g"); // 批量添加
        System.out.println("linkedList = " + linkedList); // linkedList = [a, b, c, d, e, f, g]
        linkedList.remove(0);
        System.out.println("linkedList = " + arrayList); // arrayList = [b, c, d, e, f, g]

        // Vector
        List<String> vector = new Vector<>();
        Collections.addAll(vector, "a", "b", "c", "d", "e", "f", "g"); // 批量添加
        System.out.println("vector = " + vector); // vector = [a, b, c, d, e, f, g]
        vector.remove(0);
        System.out.println("vector = " + vector); // vector = [b, c, d, e, f, g]
    }
}

运行结果：

小节：ArrayList底层基于动态数组实现，适用于随机访问遍历元素和尾部添加元素，但在中间插入和删除时性能较差；LinkedList底层基于双向链表实现，适用于插入和删除操作，但随机访问的性能较差；Vector与ArrayList类似但线程安全，性能较差，一般在多线程环境下使用。

4. Java集合的快速失败机制【fail-fast】

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1、概念：

• “fail-fast” 是Java集合类的一种错误检测机制。当多个线程对同一个集合的内容进行操作时，就可能会产生fail-fast事件。例如 某一个线程通过迭代器遍历集合时，如果其他线程对集合进行结构上的修改(添加、删除元素)，则会抛出ConcurrentModificationException并发修改异常。

• “fail-fast” 机制可以及时发现问题，避免后续操作基于错误的数据继续进行，但它并不能保证线程安全。因为它并不能阻止其他线程修改集合，只能在访问时进行检测。

2、原理：

• “fail-fast” 机制的实现是通过记录集合在结构上被修改的次数来实现的。每个集合中都有一个modCount 字段，用于记录集合的修改次数。每当对集合进行结构上的修改时，modCount 就会加1。而在进行迭代时，迭代器会存储一个 expectedModCount 值，用于记录迭代器对集合进行修改的次数。

• 在迭代过程中，每次调用 hasNext() 和 next() 方法时，会通过比较迭代器的expectedModCount和集合的modCount值来判断集合是否被修改过，如果两者不相等，则说明在迭代过程中有其他线程修改了集合，会立即抛出 ConcurrentModificationException异常。

示例：测试并发修改异常

package cn.z3inc.list;

import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.Iterator;
import java.util.List;

/**
 * 测试并发修改异常
 *
 * @author 白豆五
 * @version 2023/8/7
 * @since JDK8
 */
public class ListDemo2 {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        Collections.addAll(list, "a", "b", "c", "d", "e");
        // 获取list的迭代器
        Iterator<String> it = list.iterator();

        // 遍历
        //it.hasNext()判断是否有下一个元素
        //it.next()获取元素并将指针向后移动一位
        while (it.hasNext()) {
            System.out.println(it.next());
            list.add("f");
        }
    }
}

运行结果：

5. List接口常用方法

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添加元素：

• boolean add(E e)：向列表尾部添加一个元素。
• add(int index, E element)：向列表的指定位置处插入一个元素。
• addAll(int index,Collection c)：把另一个集合中的所有元素按照指定位置插入到当前列表中。

获取元素：

• E get(int index)：获取列表中指定索引处的元素。

• int indexOf(Object o)：获取列表中指定元素第一次出现的索引。

• int lastIndexOf(Object o)：获取列表中指定元素最后一次出现的索引。

删除元素：

• E remove(int index)：从列表中删除指定索引处的元素，返回值是被删除的元素。
• boolean remove(Object obj)：从列表中删除指定的元素（只删除列表中首次出现的元素）。

修改元素：

• E set(int index,E element)：修改列表中指定索引处的元素，返回值是被修改的元素。

其他方法：

• int size()：返回列表中的元素个数。
• boolean isEmpty()：用于判断列表是否为空。
• boolean contains(Object o)：用于判断列表是否包含指定的元素。
• void clear()：清除列表中的所有元素。
• Object[] toArray()：把列表转成数组
• Iterator iterator()：获取用于遍历列表的迭代器。

6. List的三种遍历方式

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Collection集合支持两种遍历方式：

• Iterator迭代器。
• 增强for循环。

List接口继承了Collection接口，所以以上两种遍历方式也适用于List，除次以外，List集合还支持for循环+get(索引)方式遍历。

• Iterator迭代器。
• 增强for循环。
• for循环+get(索引)。

方式一： 使用迭代器（Iterator）进行遍历

迭代器是一种设计模式，它提供了一种统一的方式来遍历集合中的元素，而无需暴露底层数据结构的细节。通过使用迭代器，我们可以按顺序访问集合中的每个元素，迭代器模式封装了集合的内部结构，使得遍历过程更加简单、安全和灵活。

迭代器模式在Java中被广泛应用，例如在集合类（如List、Set）和Map类中都提供了迭代器来遍历元素。同时，我们也可以自定义实现迭代器接口来支持自定义的数据结构的遍历。

示例：

package cn.z3inc.list;

import org.junit.Test;

import java.util.*;

/**
 * List集合3种遍历方式
 *
 * @author 白豆五
 * @version 2023/8/7
 * @since JDK8
 */
public class ListNBForDemo1 {
    @Test
    public void testIterator() {
        // 1.创建list集合
        List<String> list = new ArrayList<>();
        Collections.addAll(list, "a", "b", "c");
        
        // 2.获取list集合的迭代器对象
        Iterator<String> it = list.iterator();

        // 3.遍历
        // hasNext() 判断是否有下一个元素
        // next() 获取下一个元素
        while (it.hasNext()) {
            String item = it.next();
            System.out.println(item);
        }
    }
}

运行结果：

• list.iterator()：获取list集合的迭代器对象
• hasNext()： 判断是否有下一个元素
• next()： 获取下一个元素

方式二： 使用增强For进行遍历（foreach）

使用foreach遍历数组的底层实现是普通的for循环，而使用foreach遍历集合的底层实现是迭代器。

public class ListNBForDemo2 {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        Collections.addAll(list, "a", "b", "c");

        // 使用增强for遍历list集合
        for (String item : list) {
            System.out.println(item);
        }
        
		// 简写
        //list.forEach(item -> System.out.println(item));
        //list.forEach(System.out::println);
    }
}

运行结果：

通过编译查看源码：javac -encoding utf-8 xxx.java

方式三：for循环+get(索引)方式遍历

public class ListNBForDemo2 {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        Collections.addAll(list, "a", "b", "c");

        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            System.out.println(list.get(i));
        }
    }
}

7. ArrayList的扩容机制

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在Java中，ArrayList 基于动态数组实现的，它可以根据需求自动扩容。当我们向ArrayList添加元素时，如果当前的容量不足以容纳新的元素时，ArrayList会自动进行扩容。

1、初始容量：

我们知道创建ArrayList对象时如果不指定长度，默认初始容量为10。

其实在创建一个空的ArrayList对象时，并没有立即初始化一个长度为10的数组，而是定义了一个空数组，直到我们第一次调用add方法添加元素时，才会初始化一个长度为10 的数组。

所以，当我们创建一个空的ArrayList对象时，并不会立即占用10个元素的空间，而是在真正需要存储元素时动态地进行扩容。

这种延迟初始化的方式可以节省内存空间，因为在创建ArrayList对象时，并不总是需要预先分配一个固定大小的数组。只有在真正需要存储元素时，才会进行数组的初始化和扩容操作。（如果已经确定容量大小，并且容量大于10个，可以调用ArrayList的第二个构造器，避免频繁扩容）

2、扩容过程：

当ArrayList的元素个数超过当前容量时，就需要进行扩容操作。ArrayList的扩容操作是通过一个名为grow的私有方法来实现的。

grow()方法首先计算新的容量大小，这个大小是旧容量的1.5倍（旧容量的一半再加上旧容量）。然后，通过Arrays.copyOf方法创建一个新的数组，并将旧数组中的元素复制到新数组中。

// 扩容机制
private void grow(int minCapacity) {
    // 老容量长度
    int oldCapacity = elementData.length;
    // 新容量长度 = 老容量长度+(老容量长度/2),右移一位相当于除以2
    // 先扩容1.5倍，当新容量长度还是不够用，则直接使用所需要的长度minCapacity作为数组的长度。
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    // 数组拷贝
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

• 扩容时机：是在add方法中通过调用 ensureCapacityInternal() 方法来触发的，而且只有当我们添加的元素个数超过了当前的容量时，扩容操作才会进行。

• 扩容性能：扩容操作会消耗一定的时间，需要频繁创建新数组，拷贝元素，销毁老数组。因此，如果我们事先知道要存储的元素个数，可以通过构造函数或者ensureCapacity方法来手动设置ArrayList的初始容量，避免频繁扩容。

ArrayList的扩容机制能够动态地适应数据量的变化，但是扩容操作会消耗一定的时间和资源。因此，在使用ArrayList时，我们应该尽量避免频繁的扩容，以提高性能和效率。

8. HashSet是如何保证数据唯一的？

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在日常开发中，如果使用HashSet存储自定义对象，而且想要保证数据的唯一性，那么对象所属类必须重写equals()和hashCode()方法。

1、内部结构： HashSet 底层基于 HashMap（也就是 hashtable 哈希表） 来实现的，它实际上存储的是 HashMap 的 key。当我们把一个元素添加到 HashSet 中时，实际上是将这个元素作为 HashMap 的 key 存储，而 value 是一个固定的 Object 实例。

2、hashcode()方法：

当我们向 HashSet 添加一个元素时，首先会调用这个元素的 hashCode() 方法来计算哈希值。这个哈希值决定了元素在HashSet内部存放的位置。如果该位置上没有哈希值相同的元素，那么就将该元素存储到HashSet中；如果该位置上有哈希值相同的元素，就会产生哈希冲突（哈希碰撞)，那么该位置会采用链表或红黑树来管理具有相同哈希值的元素。

3、equals()方法：

• 为了解决哈希冲突问题，会进一步调用元素的 equals() 方法和该位置上的所有元素进行比较。（比较对象是否相同）
• 只有当 hashCode() 相同且 equals() 返回 true 时，HashSet 才会认为这两个对象是相同的，并且不会重复存储。

4、为什么这样设计:

• 通过hashCode() 可以快速判断两个对象是否可能相同，因为计算哈希值相对较快，但它可能不精确。
• 通过equals() 方法可以精确判断两个对象是否真正相同，但它的执行可能会相对较慢。(因为它需要进行更多的比较操作)

这样设计可以在大多数情况下快速定位元素，并且只有在发生哈希碰撞时才需要执行equals()方法进行更精确的比较。

示例：测试HashSet数据唯一性

package cn.z3inc.set;

import java.util.HashSet;
import java.util.Objects;

/**
 * 测试HashSet数据唯一性
 
 * @author 白豆五
 * @version 2023/8/10
 * @since JDK8
 */
public class HashSetDemo01 {
    public static void main(String[] args) {
        HashSet<Person> set = new HashSet<>();
        set.add(new Person("白豆五",18));
         //即使是两个不同的对象，但它们的内容相同，HashSet也会认为它们是相同的，不进行存储
        set.add(new Person("白豆五",18));
        System.out.println(set);
    }
}

class Person{
    private String name;
    private int age;

    public Person() {
    }

    public Person(String name,int age){
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

    @Override
    public boolean equals(Object o) { // 重写equals方法
        if (this == o) return true;
        if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false;
        Person person = (Person) o;
        return age == person.age && Objects.equals(name, person.name);
    }

    @Override
    public int hashCode() { // 重写hashCode方法
        return Objects.hash(name, age);
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Person{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", age=" + age +
                '}';
    }
}

注意事项：当我们重写 equals() 方法时，一定要重写 hashCode() 方法，以保持两者的契约。否则，当两个对象相等但哈希码不同时，HashSet 可能会存储两个相等的对象。