Java集合知识详解

目录

1.什么是集合

1.集合

2.数组存储多个数据方面的缺点：即集合存储的优势

3.集合的选用方法

2.集合框架的两大接口

3.Collection之List接口

 1.ArrayList

2.LinkedList

3.Vector

4.ArrayList和LinkedList对比

5.ArrayList的源码

4.Collection之Set接口

1.HashSet  

2.LinkedHashSet

3.TreeSet

4.如何理解Set的无序、不可重复特性(以HashSet为例)

5.TreeSet的比较实现

 6.HashSet 、LinkedHashSet、TreeSet的异同

5.Map

1.HashMap

1.原理

        解决哈希冲突的方法：

        HashMap添加键值对的原理：

        HashMap扩容问题：

2.HashMap和HashSet对比

3.HashMap和Hashtable对比

4.HashMap和TreeMap对比

5.HashMap多线程下存在的问题

1）环形链表问题

2）数据覆盖问题

 6.HashMap的遍历方式

2.LinkedHashMap

3.TreeMap

4.Hashtable

5.Properties

6.ConcorrentHashMap

底层结构

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1.什么是集合

1.集合

        Java集合，是对多个数据进行存储的结构，简称java容器

2.数组存储多个数据方面的缺点：即集合存储的优势

      1).初始化后，其长度无法修改；集合可以动态扩容

      2).数组中提供的方法极其有限，对于增删改查操作不方便；集合提供了多种操作方法

      3).数组是不支持泛型的，集合支持泛型；

      4).数组对于无序、不可重复的需求，不能满足；集合中的Set接口就能够满足这一点

3.集合的选用方法

1）只存放元素值：使用Collection接口实现

        保证元素唯一：选择Set接口下的TreeSet或者HashSet

        不保证元素唯一：先择List接口下的ArrayList或LinkedList

2）存放键值对：使用Map接口实现

        需要排序：使用TreeMap

        不需要排序：使用HashMap

2.集合框架的两大接口

1. Collection接口：单列集合，存储一个一个的对象

        List接口：存储有序的、可重复的数据；主要实现类：ArrayList,LinkedList,Vector

        Set接口：存储无序的、不可重复的数据；主要实现类:HashSet,LinkedHashSet,TreeSet

2.Map接口：双列集合，存储一对(key-value)的数据

        主要实现类：HashMap，LinkedHashMap，TreeMap，Hashtable，Properties

3.Collection之List接口

 1.ArrayList

底层实现：底层使用的是Object[ ]数组

是否可以添加null：可以添加null（慎用，可能报NullPointerException：空指针异常）

是否线程安全：线程不安全

继承与实现：继承了AbstarctList，实现了List、RandomAccess、Cloneable、Serializable

        RandomAccess：表示ArrayList支持随机访问，根据元素索引就能获取元素

        Cloneable：能够进行浅拷贝与深拷贝

        Serializable：能够实现序列化与反序列化

public class ArrayList extends AbstractList
    implements List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable{
}

ArrayList扩容机制

        使用无参数构造器创建ArrayList对象时，初始化为一个空数组，当开始使用add()方法后，数组容量赋值为10；当数组已满继续添加元素时，调用grow()方法进行扩容，grow方法中将新的数组容量变为原来的1.5倍，并将原来数组的数据复制到新数组中

2.LinkedList

底层实现：底层是双向链表

是否线程安全：线程不安全

3.Vector

底层实现：底层使用的是Object[ ]数组

是否线程安全：线程安全

4.ArrayList和LinkedList对比

底层结构：

        ArrayList：底层是Object[]数组

        LinkedList：底层是双向链表

是否线程安全：

        都是线程不安全

是否支持随机访问：

        ArrayList：继承了RandomAccess，支持随机访问；LinkedList：不支持

适用场景：   

        ArrayList：适合查找元素，不适合插入、删除操作

                插入和删除的时间复杂度：

                        头部插入/删除、指定位置插入/删除：时间复杂度O(n)

                        尾部插入/删除：时间复杂度O(1)

        LinkedList：对于频繁的插入、删除操作，效率比ArrayList高

                插入和删除的时间复杂度：

                        头部插入/删除、尾部插入/删除：时间复杂度O(1)

                        指定位置插入/删除：时间复杂度O(n)

实用性：一般使用LinkedList的场景都可以用ArrayList代替，性能会更好，所以LinkedList用的很少

4.Collection之Set接口

1.HashSet  

        set接口的主要实现类；是线程不安全的；可以存储null值；

2.LinkedHashSet

        作为HashSet的子类，遍历内部数据时，可以按照添加的顺序遍历

3.TreeSet

        可以按照添加的对象指定属性，进行排序

4.如何理解Set的无序、不可重复特性(以HashSet为例)

        无序性：不等于随机性；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，添加时是无序的

      不可重复性：保证添加的元素按照equals()判断时，不能返回true；即相同的元素只能添加一个。

5.TreeSet的比较实现

        1.向TreeSet中添加的数据，要求是相同类的对象，不能添加不同类的对象。

        2.两种排序方式：Comparable接口、Comparator接口

        3.自然排序中，比较两个对象是否相同的标准为compareTo()方法返回0；不再是equals()方法

        4.定制排序中，比较两个对象是否相同的标准是compare()返回0，不再是equals()方法
代码示例

    //Comparable 自然排序
public class Person implements Comparable {
    @Override
    public int compareTo(Object o) {
        if (o instanceof Person){
            Person oo = (Person)o;
            return this.age - (oo.getAge());
        }else {
            throw new RuntimeException("输入的类型不一致");
        }
    }
}
    //comparator：定制排序
     Set set3 = new TreeSet(new Comparator() {
            @Override
            public int compare(Object o1, Object o2) {
                if (o1 instanceof Person && o2 instanceof Person){
                    Person oo1 = (Person)o1;
                    Person oo2 = (Person)o2;
                    return oo1.getName().compareTo(oo2.getName());
                }else{
                    throw new RuntimeException("输入的类型不一致。");
                }
            }
        });

 6.HashSet 、LinkedHashSet、TreeSet的异同

相同点：都实现了set接口；都是线程不安全的

不同点：

        底层结构：

                HashSet：底层是哈希表

                LinkedHashSet：链表+哈希表

                TreeSet：红黑树

        功能：

                HashSet：底层能够存取null值

                LinkedHashSet：能够保证元素按照添加的顺序遍历，且元素的添加与取出满足FIFO

                TreeSet：能够实现指定规则排序

5.Map

1.HashMap

1.原理

        线程是否安全：线程不安全，效率高；可以存储null的key和value。

        底层：jdk7之前：数组+链表

                   jdk8：数组+链表+红黑树

        解决哈希冲突的方法：

        jdk1.8之后，HashMap解决哈希冲突时，需要满足两个条件才将链表转为红黑树：链表长度大于阈值（默认为8）；数组长度大于64（若小于64，则先进行扩容而不是转为红黑树）

        HashMap添加键值对的原理：

HashMap被实例化后，底层创建长度为16的一维数组Entry[ ] table。

        调用put(key1,value1)后，会先调用key1所在类的hashCode()方法计算key1的哈希值，此哈希值经过计算后得到Entry数组在底层的存放位置：

                若此位置为空，则key1-value1添加成功

                若此位置不为空，则比较key1和该位置元素(假设为key2-value2)的哈希值：

                        若key1的哈希值和该元素key2哈希值不相同，则key1-value1添加成功

                        若key1的哈希值和该元素key2哈希值相同，则比较key1所在类的equals(key2)方法

                                若equals()返回false，则key1-value1添加成功

                                若equals返回true，则value1将value2进行替换

        HashMap扩容问题：

         HashMap默认初始化大小为16，每次扩容容量转为原来的2倍；若是创建时指定初始容量，则会扩充为2的幂次方；

        2的幂次方的由来：

        Hash值是一个很大的值，大概有40亿的映射空间；但这个值不内存中存放不下，因此需要进行一定的运算才能得到对应的数组下标，计算方法是  hash & (n-1)（n代表数组长度）；而这个方法得到的结果，和对2的幂次方取余是一样的，只是和 “&” 相比， “%”效率更高

2.HashMap和HashSet对比

存储对象：

        HashMap存储的为键值对，是双列集合；是因为HashMap实现的是Map接口

        HashSet存储的为单列集合；是因为HashSet实现的是Collection接口下的Set接口

哈希值计算：

        HashMap基于键计算哈希值

        HashSet基于存储对象计算哈希值

3.HashMap和Hashtable对比

底层结构：

        HashMap底层是数组+链表+红黑树；

        Hashtable底层是数组+链表；

是否线程安全：

        HashMap线程不安全，Hashtable是线程安全的；

        因此HashMap的效率高于Hashtable

是否能存Null值：

        HashMap可以存储为null的键与值，但是为null的键只能有一个，为null的value可以有多个；        Hashtable不能存储为null的键和值

扩容机制：

        HashMap默认初始化大小为16，每次扩容容量转为原来的2倍；

        Hashtable默认初始化大小为11，每次扩容转为原来的2n+1倍；

4.HashMap和TreeMap对比

底层结构：

        HashMap底层是数组+链表+红黑树；

        TreeMap底层是红黑树

实现接口：

        HashMap和TreeMap都继承了AbstractMap；

        TreeMap比HashMap多实现了一个NavigableMap，而NavigableMap又继承了SortedMap；因此TreeMap能够对集合元素根据key排序（默认按照升序排列）

public class HashMap extends AbstractMap
    implements Map, Cloneable, Serializable {
}


public class TreeMap extends AbstractMap
    implements NavigableMap, Cloneable, java.io.Serializable{
}

5.HashMap多线程下存在的问题

1）环形链表问题

jdk1.7：若产生哈希冲突，对比equals()方法不同后，将新元素存入数组中，旧元素作为链表存在，新元素指向旧元素，这就是头插法；若在多线程情况下，若多个线程同时put()出现哈希冲突，很有可能造成链表的环形链表情况，即多线程下：由于使用头插法存入元素，元素A与元素B相互指向

jdk1.8：此时采用尾插法，插入的元素都放在链表末尾，指向前一个元素，避免了环形链表问题

建议：在多线程环境下，使用ConcurrentHashMap

2）数据覆盖问题

在多线程环境下，若线程A和线程B同时put()，并且发生了哈希冲突，线程A执行哈希冲突判断和可能会被挂起，线程B此时完成插入操作，随后线程A继续执行，但A已经进行了哈希判断，所以直接插入，此时A的数据会覆盖B数据

 6.HashMap的遍历方式

        1.Iterator迭代器遍历：分为EntrySet 和 KeySet方式

        2.For Each遍历：分为EntrySet 和 KeySet方式

        3.Lambda表达式遍历

        4.Stream API遍历

一般采用EntrySet遍历

详细可以参考：

HashMap 的 7 种遍历方式与性能分析！「修正篇」 (qq.com)

2.LinkedHashMap

        保证在遍历map元素时，可以按照添加的顺序实现遍历。

        原因：在原有的HashMap底层结构基础上，添加了一对指针，指向前一个和后一个元素。

                   对于频繁的遍历操作，效率高于HashMap

3.TreeMap

        可以按照添加的key- value进行排序，实现排序遍历。此时考虑key的自然排序或定制排序。底层使用红黑树。

4.Hashtable

        作为古老的实现类；线程安全的，效率低；不能存储null的key和value

5.Properties

        常用来处理配置文件；key和value都是String类型

6.ConcorrentHashMap

底层结构

        jdk1.7以前：Segment数组加链表，每个Segment数组结构有一个HashEntry数组，每一个HashEntry数组都可以构成链表结构；与此同时，对Segment数组进行分段加锁，在多线程情况下可以访问不同的Segment分段数组，从而实现线程安全

        jdk1.8：使用Node数组+链表+红黑树，不再采用Segment分段锁，而是synchronized锁定链表或红黑树的首节点，从而实现线程安全。