Java集合大总结——Collection集合

1、List，Set，Queue，Map四者的区别

Java 集合， 也叫作容器，主要是由两大接口派生而来：一个是 Collection 接口，主要用于存放单一元素；另一个是 Map 接口，主要用于存放键值对。对于Collection 接口，下面又有三个主要的子接口： List 、 Set 和 Queue

集合底层数据结构梳理

• List, Set, Queue, Map四者都是Collection 接口的子接口，都可以使用for-each 循环语法遍历元素，其它的区别见图上所示。
• 关于四者的实现类之间的区别
• List接口
  • ArrayList：Object[]数组
  • Vector：Object[]数组
  • LinkedList：双向链表
• Set接口
  • HashSet（无序，唯一）：底层使用HashMap存储数据
  • LinkedHashSet：LinkedHashSet 是 HashSet 的子类，并且其内部是通过 LinkedHashMap 来实现的。
  • TreeSet (有序，唯一): 红黑树(自平衡的排序二叉树)
• Queue接口
  • Deque接口：双端队列
  • PriorityQueue : Object[] 数组
  • ArrayDeque : Object[] 数组
• Map接口
  • HashMap：数组 + 链表|红黑树。
    • 添加元素时，如果当前数组的长度小于 64，那么会选择先进行数组扩容。
    • 如果数组长度达到64时，数组不在扩容，而是转换数组 + 链表存储元素。
    • 当链表长度大于阈值（默认为 8）时，将链表转化为红黑树，以减少搜索时间。
  • LinkedHashMap：（双向链表） +（数组 + 链表|红黑树），其中的双向链表实现了LinkedHashMap 能顺序访问。
  • Hashtable ：数组+链表组成的
  • TreeMap ：红黑树（自平衡的排序二叉树）
    注意：关于HashMap 和 Hashtable 的区别还需要详细介绍。

2、关于集合的的选用

我们主要根据集合的特点来选择合适的集合。比如：

• 需要根据键值获取到元素值时就选用 Map 接口下的集合
  • 需要排序时选择 TreeMap
  • 不需要排序时就选择 HashMap
  • 需要保证线程安全就选用 ConcurrentHashMap
• 只需要存放元素值时，就选择实现 Collection 接口的集合
  • 需要保证元素唯一时选择实现 Set 接口的集合比如 TreeSet 或 HashSet
  • 不需要保证元素唯一时选择实现 List 接口的集合比如 ArrayList 或 LinkedList
• 需要队列时就选择Queue接口下的集合
• 单端队列就选择PriorityQueue
• 双端队列就选ArrayDeque

2.1 为什么使用集合

• 当我们需要存储一组类型相同的数据时，数组是最常用且最基本的容器之一。但是，使用数组存储对象存在一些不足之处，因为在实际开发中，存储的数据类型多种多样且数量不确定。这时，Java 集合就派上用场了。
• 与数组相比，Java 集合提供了更灵活、更有效的方法来存储多个数据对象。Java集合框架中的各种集合类和接口可以存储不同类型和数量的对象，同时还具有多样化的操作方式。相较于数组，Java 集合的优势在于它们的大小可变、支持泛型、具有内建算法等。
• 总的来说，Java 集合提高了数据的存储和处理灵活性，可以更好地适应现代软件开发中多样化的数据需求，并支持高质量的代码编写

3、List接口

3.1 ArrayList 和 Array（数组）的区别？

ArrayList 内部基于动态数组实现，比 Array （静态数组） 使用起来更加灵活：

• ArrayList 会根据实际存储的元素动态地扩容或缩容，而 Array 被创建之后就不能改变它的长度了。
• ArrayList 允许你使用泛型来确保类型安全， Array 则不可以。
• ArrayList 中只能存储对象。对于基本类型数据，需要使用其对应的包装类（如 Integer、Double 等，不能是int，double等）。 Array 可以直接存储基本类型数据，也可以存储对象。
• ArrayList 支持插入、删除、遍历等常见操作，并且提供了丰富的 API 操作方法，比如 add() 、 remove() 等。 Array 只是一个固定长度的数组，只能按照下标访问其中的元素，不具备动态添加、删除元素的能力。
• ArrayList 创建时不需要指定大小，而 Array 创建时必须指定大小。

3.1 LinkedList 为什么不能实现RandomAccess 接口？

RandomAccess 是一个标记接口，用来表明实现该接口的类支持随机访问（即可以通过索引快速访问元素）。由于 LinkedList 底层数据结构是链表，内存地址不连续，只能通过指针移动来定位，不支持随机快速访问，所以不能实现RandomAccess 接口。

4.ArrayList 与 LinkedList 区别?

LinkedList类：

public class LinkedList<E>
    extends AbstractSequentialList<E>
    implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable

ArrayList集合类：

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable

根据以上的继承结构图理解：

• 是否保证线程安全： ArrayList 和 LinkedList 都是不同步的，也就是不保证线程安全；
• 底层数据结构： ArrayList 底层使用的是 Object 数组； LinkedList 底层使用的是 双向链表 数据结构
• 插入和删除是否受元素位置的影响：
  • ArrayList 采用数组存储，所以插入和删除元素的时间复杂度受元素位置的影响。 比如：执行 add(E e) 方法的时候， ArrayList 会默认将指定的元素追加到末尾，这种情况时间复杂度就是 O(1)。但是如果要在指定位置 i插入和删除元素的话 add(int index, E element) ，时间复杂度就为O(n)。因为在进行上述操作的时候集合中第 i 和第 i 个元素之后的(n-i)个元素都要执行向后移一位的操作。
  • LinkedList 采用链表存储，所以在头尾插入或者删除元素不受元素位置的影响（ add(E e) 、 addFirst(E e) 、 addLast(E e) 、removeFirst() 、 removeLast() ），时间复杂度为 O(1)，如果是要在指
    定位置 i 插入和删除元素的话（ add(int index, E element) ，remove(Object o) , remove(int index) ）， 时间复杂度为 O(n) ，因为需要先移动到指定位置再插入和删除。
• 是否支持快速随机访问： LinkedList 不支持高效的随机元素访问，而ArrayList （实现了 RandomAccess 接口） 支持。快速随机访问就是通过元素的下标快速获取元素对象(对应于 get(int index) 方法)。
• 内存空间占用： ArrayList 的空间浪费主要体现在 list 列表的结尾会预留一定的容量空间，而 LinkedList 的空间花费则体现在它的每一个元素都需要消耗比ArrayList 更多的空间（因为要存放直接后继和直接前驱以及数据）。

另外，不要下意识地认为 LinkedList 作为链表就最适合元素增删的场景。我在上面也说了， LinkedList 仅仅在头尾插入或者删除元素的时候时间复杂度近似O(1)，其他情况增删元素的平均时间复杂度都是 O(n) 。

4.1 关于ArrayList 的扩容机制

• 以无参数构造方法创建 ArrayList 时，实际上初始化赋值的是一个空数组。当真正对数组进行添加元素操作时，才真正分配容量。即向数组中添加第一个元素时，数组容量扩为 10。
• 以带参构造方法创建 ArrayList 时，初始容量是构造传入的参数值大小。
• ArrayList 每次扩容之后容量都会变为原来的 1.5 倍左右
  • oldCapacity 为偶数就是 1.5 倍，否则是 1.5 倍左右
  • 扩容算法是 oldCapacity + (oldCapacity >> 1) （>>1 右移一位相当于除 2）
• 关于ArrayList 的底层扩容源码：

private Object[] grow(int minCapacity) {
     int oldCapacity = elementData.length;
     if (oldCapacity > 0 || elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
          int newCapacity = ArraysSupport.newLength(oldCapacity,
                  minCapacity - oldCapacity, /* minimum growth */
                  oldCapacity >> 1           /* preferred growth */);
          return elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
      } else {
          return elementData = new Object[Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity)];
      }
 }

5、 Set接口

4.1 比较 HashSet、LinkedHashSet 和 TreeSet 三者的异同

1. HashSet 、 LinkedHashSet 和 TreeSet 都是 Set 接口的实现类，都能保证元素唯一，并且都不是线程安全的。
2. HashSet 、 LinkedHashSet 和 TreeSet 的主要区别在于底层数据结构不同：
   • HashSet 的底层数据结构是哈希表（基于 HashMap 实现）；
   • LinkedHashSet 的底层数据结构是链表和哈希表，元素的插入和取出顺序满足 FIFO。
   • TreeSet 底层数据结构是红黑树，元素是有序的，排序的方式有自然排序和定制排序。
3. 底层数据结构不同又导致这三者的应用场景不同：
   • HashSet 用于不需要保证元素插入和取出顺序的场景
   • LinkedHashSet 用于保证元素的插入和取出顺序满足 FIFO 的场景
   • TreeSet 用于支持对元素自定义排序规则的场景

4.2 无序性和不可重复性的含义是什么

• 无序性不等于随机性 ，无序性是指存储的数据在底层数组中并非按照数组索引的顺序添加 ，而是根据数据的哈希值决定的。
• 不可重复性是指添加的元素按照 equals() 判断时 ，返回 false，需要同时重写equals() 方法和 hashCode() 方法。