java基础之集合概览
有时候需要存储一组数据，之前使用数组，但是数组具有固定的容量，但是在写程序时并不知道需要多少对象，在java.util包下提供了一套完整的集合类，包含List、Set、Queue、Map。java集合类都可以自动地调整自己的大小。
在创建集合时，经常使用泛型，可以在编译期防止将错误的类型放入到集合中。
集合概念
集合分为两个基本接口
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集合(Collection)：一个独立元素的序列，List必须已插入顺序保存元素，Set不能包含重复元素，Queue按照排队规则来确定对象产生的顺序（一般是插入顺序）
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映射(Map)：一组成对的"键值对"对象，允许使用键来查找值。map允许我们使用一个对象来查找另一个对象
Arrays.asList()的输出是一个List，但是底层实现是数组，没法调整大小。
Listlist = Arrays.asList("123","234");
list.add("345");//java.lang.UnsupportedOperationException
List
存储有序，可以重复的元素，相当于动态数组 集合中元素所在类要重写equals方法
- ArrayList
- LinkedList
- Vector
两种类型的list
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ArrayList：擅长随机访问元素，但在List中间插入和删除元素时速度较慢
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LinkedList：擅长在List中间进行插入和删除操作，提供了优化的顺序访问，对于随机访问相对较慢
List特性
- 允许插入重复元素
- 允许插入多个null元素
- List提供了ListIterator迭代器，可以提供双向访问
ArrayList和Vector的异同点
相同点
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两者都是基于索引的，内部使用数组
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两者维护插入顺序，可以根据插入顺序来获取元素
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ArrayList和Vector的迭代器实现都是fail-fast的
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ArrayList和Vector两者都允许null值，也可以使用索引值对元素进行随机访问
不同点
- Vector是同步的，ArrayList不是，但是已过时，使用CopyOnWriteArrayList
- ArrayList比Vector快
LinkedList链表
LinkedList添加了一些方法，使其可以被用作栈，队列和双向队列，方法差异
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getFirst()和element()是相同的，都是返回列表的头部，而并不删除它，如果list为空，则抛出NoSuchElementException异常。peek()方法在列表为空时返回null
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removeFirst()和remove()方法相同，删除并返回列表头部元素，在列表为空时返回NoSuchElementException异常，poll()在列表为空时返回null
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addFirst()在列表头部插入一个元素
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offer()和add()和addLast()相同，在列表尾部添加一个元素
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removeLast()删除并返回列表的最后一个元素
ArrayList和LinkedList的区别
- ArrayList是由数组支持的基于索引的数据结构，支持对元素的随机访问，复杂度为O(1)，但是LinkedList是基于链表的，存储一系列的节点数据，每个节点都与前一个节点和下一个节点相连。虽然存在使用索引获取元素的方法，但是内部实现是从起始点开始遍历的，时间复杂度是O(n)
- 与ArrayList相比，在LinkedList中插入、添加和删除一个元素会更快
- LinkedList比ArrayList消耗更多内存，因为需要存储前后节点的引用
迭代器Iterators
Iterator
Iterator接口提供了遍历任何Collection的接口，取代了java集合框架中的Enumeration，迭代器允许调用者在迭代过程中移除数据
iterator只能单向移动
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使用iterator()方法使集合返回一个Iterator。Iterator将准备好返回序列中的第一个元素。
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使用next()方法获得序列中的下一个元素。
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使用hasNext()方法检查序列中是否含有元素。
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使用remove()方法将迭代器最近返回的那个元素删除。
Enumeration和iterator的区别
- Enumeration的速度是Iterator的两倍，使用内存也少，但是iterator更加安全，使得一个集合在遍历时，会阻止其他线程去修改集合，Iterator允许移除元素
- Iterator支持fail-fast机制，而Enumeration不支持，Iterator遍历时，当其他线程修改集合内容时，迭代器会立马感知到，引起快速失败，抛出ConcurrentModificationException异常
- Enumeration本身不支持同步，只是在Vector和hashtable实现Enumeration时，添加了同步
ListIterator
- ListIterator是Iterator的子类型，只能由各种List类生成，
- Iterator只能向前移动，ListIterator可以双向移动，可以生成迭代器在列表中指向位置的后一个和前一个元素的索引。
堆栈stack
堆栈是后进先出(LIFO)，最后压入(push)栈的元素，第一个被弹出(pop)栈。
java1.0中有一个stack类，但是设计的不好，Java6添加了ArrayDeque，其中包含了直接实现堆栈功能的方法
- push()添加元素到栈底
- peek()和pop()返回对象，peek()返回栈顶元素，但不从栈顶删除，而pop()删除并返回栈顶元素
Set
Set不保存重复的元素。查找是Set最重要的操作，选择HashSet实现，针对快速查找进行了优化。
存储无序，不可重复 添加Set集合中的元素所在类要重写equals和hashCode方法
无序性：指的是元素在底层存储的位置是无序的
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HashSet没有顺序，使用散列函数，HashSet维护顺序与TreeSet或LinkedHashSet不同，因为它们实现具有不同的元素存储方式
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LinkedHashSet 也使用了散列，使用了链表来维护元素的插入顺序，结果将按元素的插入顺序显示。元素必须定义hashCode()和equals()方法，遍历元素时，会按照添加的进去的顺序
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TreeSet将元素存储在红黑树数据结构，可以从Set中获取有序序列，其中元素必须实现Comparable接口
要求添加进TreeSet的必须是同一个类的 两种排序方式 1）自然排序：添加的类要实现Comparable接口，重写compareTo方法 2）定制排序: 使用TreeSet(Comparator comparator) 构造器 重写compare(T o1, T o2);方法
Map
键值 key不可重复，一个key-value组成一个entry
map的分类
HashMap专为快速访问而设计，TreeMap保持键始终处于排序状态，没有HashMap快。LinkedHashMap按插入顺序保存其元素，但使用散列提供快速访问的能力。
- HashMap 基于哈希表的实现。为插入和定位键值对提供了常数时间性能。可以通过构造方法调整性能，这些构造方法允许设置哈希表的容量和装填因子。可以添加key为null，value为null
- LinkedHashMap 与HashMap类似，但是当遍历时，可以按照插入顺序或最近最少使用(LRU)顺序获取键值对。只比HashMap略慢，一个例外是在迭代时，由于其使用链表维护内部顺序，所以会更快些，按照添加进Map的顺序遍历
- TreeMap 基于红黑树实现，当查看键或键值对时，按排序顺序(由Comparable或Comparator确定)。TreeMap的侧重点在于按排序顺序获得结果。TreeMap是唯一使用subMap()方法的Map，返回红黑树的一部分，按照key所在类的指定属性进行排序，要求key是同一个类的对象（同TreeSet）
- WeakHashMap 一个具有弱键的Map，为了解决某些类型的问题，它允许释放Map所引用的对象。如果Map外没有对特定键的引用，则可以对该键进行垃圾回收
- ConcurrentHashMap 不使用同步锁定的线程安全Map
- IdentityHashMap 使用==来比较键，仅用于解决特殊问题
- HashTable 不可添加key为null，value为null的 子类Properties 处理属性文件
HashMap工作情况
HashMap在Map.Entry静态内部类实现存储键值对，HashMap使用哈希算法，在put和get方法中，使用hashCode和equals方法，使用put方法时，使用key的hashcode和哈希算法来找出存储键值对的索引，Entry存储在LinkedList中，如果存在entry，使用equals检查传递的key是否存在，如果存在，会覆盖掉value，如果不存在，会创建一个新的entry然后保存。get的时候也是先通过hashcode找到数组中的索引，然后使用equals找到正确的Entry，在进行取值
HashMap默认初始容量是32，负载因子是0.75，阈值是容量乘以负载因子，当map的大小比阈值大时，HashMap会对map的内容进行重新哈希。
HashMap和HashTable的区别
- HashMap允许key和value为null，HashTable不允许
- HashTable是同步的，HashMap不是
- HashMap可以转为LinkedHashMap，使得遍历有序，HashTable的顺序无法预知
- HashMap提供对key的set进行遍历，所以是fail-fast的，HashTable提供对key的Enumeration进行遍历，不支持fail-fast
- HashTable应该被CocurrentHashMap替代
队列
队列操作
队列是一个先进先出(FIFO)集合，LinkedList实现了Queue接口，并且提供了一些方法支持队列行为
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offer()在队列尾部插入一个元素
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peek()和element()返回队列头而不删除它，如果队列为空，element()抛出NoSuchElementException，而peek()返回null
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poll()和remove()都删除并返回队头元素，如果队列为空，poll()返回null，remove()抛出NoSuchElementException
PriorityQueue优先级队列
优先级队列声明下一个弹出的元素是最需要的元素。
BlockingQueue队列
是concurrent包下的类，在进行检索或移除一个元素的时候，会等待队列变成非空；当添加一个元素的时候，会等待队列中的可用空间。主要用于实现生产者-消费者模式
Collections工具类
unmodifiableCollection方法
Collections.unmodifiableCollection(list)；Collections.unmodifiableList(list)；使用该方法会创建一个只读集合，所有改变集合的操作都会抛出UnsupportedOperationException
public static Collection unmodifiableCollection(Collection c) {
return new UnmodifiableCollection<>(c);
}
synchronizedCollection方法
Collections.synchronizedCollection(list)方法可以创建一个线程安全的集合
public static Collection synchronizedCollection(Collection c) {
return new SynchronizedCollection<>(c);
}
问题
1、遍历时移除List中的元素
使用forEach和Iterator
在使用forEach遍历时，实际上是使用的Iterator，使用的核心方法是hasNext()和next()，但是使用的是list.remove，来看个例子
//源码
public class TestList {
public static void main(String[] args) {
List list = new ArrayList<>();
list.add("J");
list.add("A");
list.add("V");
list.add("A");
for (String s: list) {
list.remove(s);
}
}
}
//编译之后
public class TestList {
public TestList() {
}
public static void main(String[] args) {
List list = new ArrayList();
list.add("J");
list.add("A");
list.add("V");
list.add("A");
Iterator var2 = list.iterator();
while(var2.hasNext()) {
String s = (String)var2.next();
list.remove(s);
}
}
}
之前说过，Iterator在遍历时，不允许其他线程对该集合进行操作，看一下ArrayList的iterator是怎么实现的
public E next() {
checkForComodification();
int i = cursor;
if (i >= size)
throw new NoSuchElementException();
Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
if (i >= elementData.length)
throw new ConcurrentModificationException();
cursor = i + 1;
return (E) elementData[lastRet = i];
}
final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
在每次获取下一个元素时，都会比较modCount 和 expectedModCount
然后在调用的list的remove方法会导致modCount增加（modCount表示被修改次数）
public E remove(int index) {
rangeCheck(index);
modCount++;
E oldValue = elementData(index);
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
numMoved);
elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
return oldValue;
}
此时iterator的next方法中两个变量就不一致了，就会抛出ConcurrentModificationException异常
再看一下如果使用iterator的remove方法
public void remove() {
if (lastRet < 0)
throw new IllegalStateException();
checkForComodification();
try {
ArrayList.this.remove(lastRet);
cursor = lastRet;
lastRet = -1;
expectedModCount = modCount;
} catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
iterator在remove之后会将modCount的值赋给expectedModCount，就不会出现两个变量不等的情况了
不使用forEach遍历
使用普通for循环，有两种方式，第一种是使用正序遍历，但是进行remove操作之后要把遍历的索引进行修正减一，否则在移除下一个的时候就会出错，第二种就是使用倒序遍历
// 正序遍历
for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
String s = list.remove(i);
i = i - 1;
System.out.println(s);
}
//倒序遍历
for (int i = list.size() - 1; i >= 0; i--) {
String s = list.remove(i);
System.out.println(s);
}
2、fail-fast和fail-safe
java.util包中集合类被设计为fail-fast的，而java.util.concurrent中集合为fail-safe的。fail-fast迭代器抛出ConcurrentModificationException，而fail-safe迭代器从不抛出ConcurrentModificationException，Iterator的安全失败是基于对底层集合做拷贝，不受源集合上修改的影响
fail-fast
fail-fast迭代器抛出ConcurrentModificationException，通过modCount来进行实现，在进行迭代时，每次对于元素的修改都会修改该值，一旦该值被修改了，就会抛出异常
// 当Itr被实例化的时候，记录一下迭代器被实例化时ArrayList的修改次数(在用ArrayList进行add/remove操作时modCount每次都加一)
int expectedModCount = modCount;
// 检查是否被修改了
final void checkForComodification() {
// 当修改次数与Itr被实例化时的修改次数不一致时，说明在进行迭代操作的时候其他线程进行了ArrrayList的add/remove操作，此时抛出ConcurrentModificationException，即为fast-fail快速失败机制
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
3、Arrays.asList
这个方法返回的是一个ArrayList，不过这个ArrayList是Arrays类的内部类，在调用add方法的时候会直接报错
UnsupportedOperationException这是运行时异常
public void add(int index, E element) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
https://zhhll.icu/2020/java基础/集合/1.java基础之集合/
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