Java集合

集合在我们日常开发使用的次数数不胜数，ArrayList/LinkedList/HashMap/HashSet······信手拈来，抬手就拿来用，在 IDE 上龙飞凤舞，但是作为一名合格的优雅的程序猿，仅仅了解怎么使用API是远远不够的，如果在调用API时，知道它内部发生了什么事情，就像开了透视外挂一样，洞穿一切，这种感觉才真的爽，而且这样就不是集合提供什么功能给我们使用，而是我们选择使用它的什么功能了。

image.png

集合框架总览

下图堪称集合框架的上帝视角，讲到集合框架不得不看的就是这幅图，当然，你会觉得眼花缭乱，不知如何看起，这篇文章带你一步一步地秒杀上面的每一个接口、抽象类和具体类。我们将会从最顶层的接口开始讲起，一步一步往下深入，帮助你把对集合的认知构建起一个知识网络。

image.png

工欲善其事必先利其器，让我们先来过一遍整个集合框架的组成部分：

1. 集合框架提供了两个遍历接口：Iterator和ListIterator，其中后者是前者的优化版，支持在任意一个位置进行前后双向遍历。注意图中的Collection应当继承的是Iterable而不是Iterator，后面会解释Iterable和Iterator的区别
2. 整个集合框架分为两个门派（类型）：Collection和Map，前者是一个容器，存储一系列的对象；后者是键值对，存储一系列的键值对
3. 在集合框架体系下，衍生出四种具体的集合类型：Map、Set、List、Queue
4. Map存储键值对，查找元素时通过key查找value
5. Set内部存储一系列不可重复的对象，且是一个无序集合，对象排列顺序不一
6. List内部存储一系列可重复的对象，是一个有序集合，对象按插入顺序排列
7. Queue是一个队列容器，其特性与List相同，但只能从队头和队尾操作元素
8. JDK 为集合的各种操作提供了两个工具类Collections和Arrays，之后会讲解工具类的常用方法
9. 四种抽象集合类型内部也会衍生出许多具有不同特性的集合类，不同场景下择优使用，没有最佳的集合

上面了解了整个集合框架体系的组成部分，接下来的章节会严格按照上面罗列的顺序进行讲解，每一步都会有承上启下的作用

学习Set前，最好最好要先学习Map，因为Set的操作本质上是对Map的操作，往下看准没错

Iterator Iterable ListIterator

在第一次看这两个接口，真以为是一模一样的，没发现里面有啥不同，存在即合理，它们两个还是有本质上的区别的。

首先来看Iterator接口：

public interface Iterator {
    boolean hasNext();
    E next();
    void remove();
}

提供的API接口含义如下：

• hasNext()：判断集合中是否存在下一个对象
• next()：返回集合中的下一个对象，并将访问指针移动一位
• remove()：删除集合中调用next()方法返回的对象

在早期，遍历集合的方式只有一种，通过Iterator迭代器操作

List list = new ArrayList<>();
list.add(1);
list.add(2);
list.add(3);
Iterator iter = list.iterator();
while (iter.hasNext()) {
    Integer next = iter.next();
    System.out.println(next);
    if (next == 2) { iter.remove(); }
}

再来看Iterable接口：

public interface Iterable {
    Iterator iterator();
    // JDK 1.8
    default void forEach(Consumer action) {
        Objects.requireNonNull(action);
        for (T t : this) {
            action.accept(t);
        }
    }
}

可以看到Iterable接口里面提供了Iterator接口，所以实现了Iterable接口的集合依旧可以使用迭代器遍历和操作集合中的对象；

而在 JDK 1.8中，Iterable提供了一个新的方法forEach()，它允许使用增强 for 循环遍历对象。

List list = new ArrayList<>();
for (Integer num : list) {
    System.out.println(num);
}

我们通过命令：javap -c反编译上面的这段代码后，发现它只是 Java 中的一个语法糖，本质上还是调用Iterator去遍历。

image.png

翻译成代码，就和一开始的Iterator迭代器遍历方式基本相同了。

Iterator iter = list.iterator();
while (iter.hasNext()) {
    Integer num = iter.next();
    System.out.println(num);
}

还有更深层次的探讨：为什么要设计两个接口Iterable和Iterator，而不是保留其中一个就可以了。

简单讲解：Iterator的保留可以让子类去实现自己的迭代器，而Iterable接口更加关注于for-each的增强语法。具体可参考：Java中的Iterable与Iterator详解

关于Iterator和Iterable的讲解告一段落，下面来总结一下它们的重点：

1. Iterator是提供集合操作内部对象的一个迭代器，它可以遍历、移除对象，且只能够单向移动
2. Iterable是对Iterator的封装，在JDK 1.8时，实现了Iterable接口的集合可以使用增强 for 循环遍历集合对象，我们通过反编译后发现底层还是使用Iterator迭代器进行遍历

等等，这一章还没完，还有一个ListIterator。它继承 Iterator 接口，在遍历List集合时可以从任意索引下标开始遍历，而且支持双向遍历。

ListIterator 存在于 List 集合之中，通过调用方法可以返回起始下标为 index的迭代器

List list = new ArrayList<>();
// 返回下标为0的迭代器
ListIterator listIter1 = list.listIterator(); 
// 返回下标为5的迭代器
ListIterator listIter2 = list.listIterator(5); 

ListIterator 中有几个重要方法，大多数方法与 Iterator 中定义的含义相同，但是比 Iterator 强大的地方是可以在任意一个下标位置返回该迭代器，且可以实现双向遍历。

public interface ListIterator extends Iterator {
    boolean hasNext();
    E next();
    boolean hasPrevious();
    E previous();
    int nextIndex();
    int previousIndex();
    void remove();
    // 替换当前下标的元素,即访问过的最后一个元素
    void set(E e);
    void add(E e);
}

Map 和 Collection 接口

Map 接口和 Collection 接口是集合框架体系的两大门派，Collection 是存储元素本身，而 Map 是存储键值对，在 Collection 门派下有一小部分弟子去偷师，利用 Map 门派下的弟子来修炼自己。

是不是听的一头雾水哈哈哈，举个例子你就懂了：HashSet底层利用了HashMap，TreeSet底层用了TreeMap，LinkedHashSet底层用了LinkedHashMap。

下面我会详细讲到各个具体集合类哦，所以在这里，我们先从整体上了解这两个门派的特点和区别。

image.png

Map接口定义了存储的数据结构是形式，根据 key 映射到 value，一个 key 对应一个 value ，所以key不可重复，而value可重复。

在Map接口下会将存储的方式细分为不同的种类：

• SortedMap接口：该类映射可以对按照自己的规则进行排序，具体实现有 TreeMap
• AbsractMap：它为子类提供好一些通用的API实现，所有的具体Map如HashMap都会继承它

而Collection接口提供了所有集合的通用方法（注意这里不包括Map）：

• 添加方法：add(E e) / addAll(Collection var1)
• 删除方法：remove(Object var1) / removeAll(Collection var1)
• 查找方法：contains(Object var1) / containsAll(Collection var1);
• 查询集合自身信息：size() / isEmpty()
• ···

在Collection接口下，同样会将集合细分为不同的种类：

• Set接口：一个不允许存储重复元素的无序集合，具体实现有HashSet / TreeSet···
• List接口：一个可存储重复元素的有序集合，具体实现有ArrayList / LinkedList···
• Queue接口：一个可存储重复元素的队列，具体实现有PriorityQueue / ArrayDeque···

Map 集合体系详解

Map接口是由组成的集合，由key映射到唯一的value，所以Map不能包含重复的key，每个键至多映射一个值。下图是整个 Map 集合体系的主要组成部分，我将会按照日常使用频率从高到低一一讲解。

不得不提的是 Map 的设计理念：定位元素的时间复杂度优化到 O(1)

Map 体系下主要分为 AbstractMap 和 SortedMap两类集合

AbstractMap是对 Map 接口的扩展，它定义了普通的 Map 集合具有的通用行为，可以避免子类重复编写大量相同的代码，子类继承 AbstractMap 后可以重写它的方法，实现额外的逻辑，对外提供更多的功能。

SortedMap 定义了该类 Map 具有 排序行为，同时它在内部定义好有关排序的抽象方法，当子类实现它时，必须重写所有方法，对外提供排序功能。

image.png

HashMap

HashMap 是一个最通用的利用哈希表存储元素的集合，将元素放入 HashMap 时，将key的哈希值转换为数组的索引下标确定存放位置，查找时，根据key的哈希地址转换成数组的索引下标确定查找位置。

HashMap 底层是用数组 + 链表 + 红黑树这三种数据结构实现，它是非线程安全的集合。

image.png

发送哈希冲突时，HashMap 的解决方法是将相同映射地址的元素连成一条链表，如果链表的长度大于8时，且数组的长度大于64则会转换成红黑树数据结构。

关于 HashMap 的简要总结：

1. 它是集合中最常用的Map集合类型，底层由数组 + 链表 + 红黑树组成
2. HashMap不是线程安全的
3. 插入元素时，通过计算元素的哈希值，通过哈希映射函数转换为数组下标；查找元素时，同样通过哈希映射函数得到数组下标定位元素的位置

LinkedHashMap

LinkedHashMap 可以看作是 HashMap 和 LinkedList 的结合：它在 HashMap 的基础上添加了一条双向链表，默认存储各个元素的插入顺序，但由于这条双向链表，使得 LinkedHashMap 可以实现 LRU缓存淘汰策略，因为我们可以设置这条双向链表按照元素的访问次序进行排序

image.png

LinkedHashMap 是 HashMap 的子类，所以它具备 HashMap 的所有特点，其次，它在 HashMap 的基础上维护了一条双向链表，该链表存储了所有元素，默认元素的顺序与插入顺序一致。若accessOrder属性为true，则遍历顺序按元素的访问次序进行排序。

// 头节点
transient LinkedHashMap.Entry head;
// 尾结点
transient LinkedHashMap.Entry tail;

利用 LinkedHashMap 可以实现 LRU 缓存淘汰策略，因为它提供了一个方法：

protected boolean removeEldestEntry(java.util.Map.Entry eldest) {
    return false;
}

该方法可以移除最靠近链表头部的一个节点，而在get()方法中可以看到下面这段代码，其作用是挪动结点的位置：

if (this.accessOrder) {
    this.afterNodeAccess(e);
}

只要调用了get()且accessOrder = true，则会将该节点更新到链表尾部，具体的逻辑在afterNodeAccess()中，感兴趣的可翻看源码，篇幅原因这里不再展开。

现在如果要实现一个LRU缓存策略，则需要做两件事情：

• 指定accessOrder = true可以设定链表按照访问顺序排列，通过提供的构造器可以设定accessOrder

public LinkedHashMap(int initialCapacity, float loadFactor, boolean accessOrder) {
    super(initialCapacity, loadFactor);
    this.accessOrder = accessOrder;
}

• 重写removeEldestEntry()方法，内部定义逻辑，通常是判断容量是否达到上限，若是则执行淘汰。

这里就要贴出一道大厂面试必考题目：146. LRU缓存机制，只要跟着我的步骤，就能顺利完成这道大厂题了。

关于 LinkedHashMap 主要介绍两点：

1. 它底层维护了一条双向链表，因为继承了 HashMap，所以它也不是线程安全的
2. LinkedHashMap 可实现LRU缓存淘汰策略，其原理是通过设置accessOrder为true并重写removeEldestEntry方法定义淘汰元素时需满足的条件

TreeMap

TreeMap 是 SortedMap 的子类，所以它具有排序功能。它是基于红黑树数据结构实现的，每一个键值对都是一个结点，默认情况下按照key自然排序，另一种是可以通过传入定制的Comparator进行自定义规则排序。

// 按照 key 自然排序，Integer 的自然排序是升序
TreeMap naturalSort = new TreeMap<>();
// 定制排序，按照 key 降序排序
TreeMap customSort = new TreeMap<>((o1, o2) -> Integer.compare(o2, o1));

TreeMap 底层使用了数组+红黑树实现，所以里面的存储结构可以理解成下面这幅图哦。

image.png

图中红黑树的每一个节点都是一个Entry，在这里为了图片的简洁性，就不标明 key 和 value 了，注意这些元素都是已经按照key排好序了，整个数据结构都是保持着有序 的状态！

关于自然排序与定制排序：

• 自然排序：要求key必须实现Comparable接口。

由于Integer类实现了 Comparable 接口，按照自然排序规则是按照key从小到大排序。

TreeMap treeMap = new TreeMap<>();
treeMap.put(2, "TWO");
treeMap.put(1, "ONE");
System.out.print(treeMap);
// {1=ONE, 2=TWO}

• 定制排序：在初始化 TreeMap 时传入新的Comparator，不要求key实现 Comparable 接口

TreeMap treeMap = new TreeMap<>((o1, o2) -> Integer.compare(o2, o1));
treeMap.put(1, "ONE");
treeMap.put(2, "TWO");
treeMap.put(4, "FOUR");
treeMap.put(3, "THREE");
System.out.println(treeMap);
// {4=FOUR, 3=THREE, 2=TWO, 1=ONE}

通过传入新的Comparator比较器，可以覆盖默认的排序规则，上面的代码按照key降序排序，在实际应用中还可以按照其它规则自定义排序。

compare()方法的返回值有三种，分别是：0，-1，+1

（1）如果返回0，代表两个元素相等，不需要调换顺序

（2）如果返回+1，代表前面的元素需要与后面的元素调换位置

（3）如果返回-1，代表前面的元素不需要与后面的元素调换位置

而何时返回+1和-1，则由我们自己去定义，JDK默认是按照自然排序，而我们可以根据key的不同去定义降序还是升序排序。

关于 TreeMap 主要介绍了两点：

1. 它底层是由红黑树这种数据结构实现的，所以操作的时间复杂度恒为O(logN)
2. TreeMap 可以对key进行自然排序或者自定义排序，自定义排序时需要传入Comparator，而自然排序要求key实现了Comparable接口
3. TreeMap 不是线程安全的。

WeakHashMap

WeakHashMap 日常开发中比较少见，它是基于普通的Map实现的，而里面Entry中的键在每一次的垃圾回收都会被清除掉，所以非常适合用于短暂访问、仅访问一次的元素，缓存在WeakHashMap中，并尽早地把它回收掉。

当Entry被GC时，WeakHashMap 是如何感知到某个元素被回收的呢？

在 WeakHashMap 内部维护了一个引用队列queue

private final ReferenceQueue