Java集合大总结——Collection集合

1、List,Set,Queue,Map四者的区别

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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
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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

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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

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ArrayList集合类:

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

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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

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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。

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