Java中集合的底层结构

目录

1、Java中的集合框架

2、选择集合类的考虑因素

3、在集合中遍历操作的方法

4、集合如何进行元素的比较和排序

5、Java中的集合是如何存储元素的

6、当集合的大小超过了数组的最大容量时，会发生什么？

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1、Java中的集合框架

Java中的集合框架（Collection Framework）是一组接口、实现类和算法，用于提供各种数据结构的实现，包括列表（List）、集合（Set）、映射（Map）等。

图片来源：Java中集合框架，Collection接口、Set接口、List接口、Map接口，已经常用的它们的实现类，简单的JDK源码分析底层实现 - 真亦假 - 博客园

在Java中，集合类主要从Collection和Map两个根接口派生出来，其中集合的底层结构有数组、链表、哈希表等。例如，ArrayList底层基于动态数组实现，容量能自动增长，随机访问效率高，随机插入、随机删除效率低，线程不安全，多线程环境下可以使用Collections.synchronizedList()函数返回一个线程安全的ArrayList类，也可以使用concurrent并发包下的CopyOnWriteArrayList类。

不同的集合类在底层实现上可以采用不同的数据结构。以下是Java中常见集合的底层实现：

1. ArrayList：基于数组实现，支持随机访问，但插入和删除元素需要移动后续元素，时间复杂度为O(n)。

2. LinkedList：基于双向链表实现，支持插入和删除操作，但随机访问需要遍历链表，时间复杂度为O(n)。

3. HashSet：基于哈希表实现，具有快速的插入、删除和查询操作，但不能保证元素的顺序。

4. TreeSet：基于红黑树（一种自平衡二叉搜索树）实现，具有快速的插入、删除和查询操作，同时可以保证元素有序。

5. HashMap：基于哈希表实现，用键值对的形式存储元素，可以快速定位和访问元素。

6. TreeMap：基于红黑树实现，用键值对的形式存储元素，可以快速定位和访问元素，并且可以保证元素有序。

7. Queue：可以用数组或链表实现，提供先进先出（FIFO）的访问方式。

8. Stack：基于数组或链表实现，提供后进先出（LIFO）的访问方式。

集合可以按以下进行分类：

• 单列集合：
  • List：实现了List接口，常用的实现类有ArrayList和LinkedList。其中ArrayList是基于数组实现的，支持随机访问和快速插入删除，但线程不安全；LinkedList是基于链表实现的，支持快速插入删除，但随机访问性能较差。
  • Set：实现了Set接口，常用的实现类有HashSet、TreeSet和LinkedHashSet。
  • Queue：实现了Queue接口。
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图片来源：java集合（超详细）

• 双列集合：实现了Map接口，表示一组键值对，其中键和值都可以是任意类型的对象。常用的实现类有HashMap、TreeMap。
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图片来源：java集合（超详细）

2、选择集合类的考虑因素

在选择使用集合类时，可以考虑以下因素：

1. 功能需求：不同的集合类提供了不同的功能和特性，根据实际需求选择相应的集合类。例如，如果需要按照元素的插入顺序来遍历，可以选择使用ArrayList；如果需要高效地进行查找操作，可以选择使用HashSet。

2. 数据结构：集合类的底层数据结构对性能和功能有很大的影响。例如，ArrayList使用动态数组实现，适用于频繁访问元素的场景；LinkedList使用双向链表实现，适用于频繁插入和删除元素的场景。

3. 线程安全性：如果多个线程会同时访问集合对象，需要考虑使用线程安全的集合类，如Vector或ConcurrentHashMap。而如果只有单个线程访问，可以选择非线程安全的集合类，如ArrayList。

4. 性能要求：不同的集合类在执行不同操作时的性能表现有所差异。例如，ArrayList在随机访问元素方面性能较好，而LinkedList在插入和删除元素方面性能较好。根据具体的操作频率和对性能的要求，选择相应的集合类。

5. 内存占用：集合类的内存占用也是一个考虑因素。例如，HashSet需要更多的内存来存储哈希表，而TreeSet则需要额外的内存来维护有序性。根据实际的内存限制和需求，选择适合的集合类。

举例来说，如果需要存储一组学生对象，并根据学生的学号进行快速查找，可以选择使用HashMap，其中学号作为键，学生对象作为值。如果需要存储一组按照插入顺序排序的元素，并且会频繁遍历，可以选择使用LinkedHashSet。如果需要存储一组不重复的元素，并且不关心顺序和索引，可以选择使用HashSet。根据具体需求来选择合适的集合类能够提高代码的效率和可读性。

3、在集合中遍历操作的方法

1. for-each 循环：这是最简单和常用的方法，适用于所有实现了 Iterable 接口的集合。例如，可以使用 for-each 循环遍历 ArrayList、HashSet、LinkedList 等集合。

2. Iterator 迭代器：如果需要在遍历过程中进行删除操作，或者需要使用其他复杂的迭代方式，可以使用迭代器 Iterator。迭代器提供了更灵活的遍历方式，可以在迭代过程中删除元素、获取当前元素、跳过某些元素等。

3. Stream API：Java 8 引入了 Stream API，可以使用流操作来遍历集合。例如，可以使用 stream() 方法将集合转换为流，然后使用各种流操作来处理集合中的元素。这种方式提供了更简洁和高效的遍历方式。

无论使用哪种方法，都应该根据具体的需求和集合类型选择最适合的遍历方式。同时，注意避免在遍历过程中进行大量的插入、删除或修改操作，以免影响性能。

4、集合如何进行元素的比较和排序

在Java中，集合类的元素比较和排序通常涉及两个方面：元素的比较规则和排序算法。

1. 元素的比较规则：

• 对于基本数据类型，如整型、浮点型等，可以直接使用默认的比较规则（例如，数字大小）进行比较。
• 对于自定义的对象类型，需要通过实现 Comparable 接口来定义元素的比较规则。Comparable 接口中的 compareTo() 方法用于定义对象之间的比较方式。该方法返回一个负整数、零或正整数，表示当前对象小于、等于或大于另一个对象。

示例代码如下：

public class Student implements Comparable {
    private String name;
    private int age;

    // 构造函数和其他方法

    @Override
    public int compareTo(Student other) {
        // 按照年龄进行比较
        return Integer.compare(this.age, other.age);
    }
}

2. 排序算法：

• Java提供了多种排序算法，其中最常见的是使用 Collections.sort() 方法对集合进行排序。该方法使用的是归并排序（Merge Sort）算法或快速排序（Quick Sort）算法，具体取决于集合的大小和类型。
• 要对自定义对象的集合进行排序，需要确保对象的类实现了 Comparable 接口，并且重写了 compareTo() 方法，以指定对象之间的比较规则。

示例代码如下：

List students = new ArrayList<>();

// 添加学生对象到集合中

Collections.sort(students);

在使用排序方法时，可以根据需要提供自定义的比较器（Comparator），以实现按照不同的规则进行排序。Comparator 是一个函数式接口，可以通过 Lambda 表达式或匿名内部类来创建。

示例代码如下：

List students = new ArrayList<>();

// 添加学生对象到集合中

Collections.sort(students, (s1, s2) -> s1.getName().compareTo(s2.getName()));

5、Java中的集合是如何存储元素的

Java中的集合是通过不同的数据结构来存储元素的，具体的存储方式取决于集合类的实现。

下面是几种常见的Java集合类的存储方式：

1. ArrayList：ArrayList使用动态数组实现，内部使用一个Object数组来存储元素。当元素数量超过数组容量时，会自动进行扩容，通常会扩大为原来容量的1.5倍。

2. LinkedList：LinkedList使用双向链表实现，每个节点包含一个元素和指向前后节点的引用。通过修改节点间的引用，可以实现元素的插入和删除操作。

3. HashSet：HashSet基于哈希表实现，内部使用HashMap来存储元素。HashSet的元素存储在HashMap的键中，值则是一个固定的常量对象（通常为null）。

4. TreeSet：TreeSet使用红黑树（一种自平衡二叉搜索树）实现，元素按照自然排序或者自定义的比较器排序后存储在树中。

5. HashMap：HashMap使用哈希表实现，内部使用一个数组（称为散列表）来存储键值对。通过计算键的哈希值，将键值对存储在数组的索引位置上。

6. TreeMap：TreeMap也使用红黑树实现，键值对按照键的排序顺序存储在树中。

7. Queue：Queue可以用数组或链表等数据结构实现，常见的实现类有ArrayDeque和LinkedList。数组实现的队列会预先分配一段连续的内存空间来存储元素，链表实现的队列则通过节点之间的引用来连接元素。

8. Stack：Stack可以使用数组或链表实现，通常使用数组实现，使用一个指针来指示栈顶元素的位置。

这些集合类的底层存储方式决定了它们的性能和特性。选择合适的集合类可以根据具体的需求来决定，例如需要快速随机访问的场景可以选择ArrayList，需要去重并且无序的场景可以选择HashSet。

6、当集合的大小超过了数组的最大容量时，会发生什么？

在 Java 中，当集合的大小超过了数组的最大容量时，集合会自动扩容。具体的扩容策略取决于集合的实现类。

以 ArrayList 为例，它是基于动态数组实现的集合。当 ArrayList 达到数组的最大容量时，它会创建一个新的数组，将原来数组中的元素复制到新数组中，并将新元素添加到新数组中。新数组的容量通常是原数组容量的两倍。

以下是一个简单的示例代码：

import java.util.ArrayList;

public class ArrayListCapacity {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个初始容量为 10 的 ArrayList
        ArrayList list = new ArrayList<>(10);

        // 向 ArrayList 中添加元素，直到超过容量
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            list.add("" + i);
        }

        // 打印 ArrayList 的容量
        System.out.println("ArrayList 的容量：" + list.capacity());
    }
}

在这个示例中，我们创建了一个初始容量为 10 的 ArrayList，然后不断向其中添加元素，直到超过容量。最后，我们打印出 ArrayList 的容量，可以看到它已经自动扩容到了 20。

需要注意的是，不同的集合实现类可能有不同的扩容策略。有些集合可能在达到容量限制时直接创建一个新的更大的数组，而有些集合可能采用更复杂的扩容算法。具体的扩容行为可以查阅相关集合类的文档来了解。

参考

Java集合详解-CSDN博客

解析java集合框架 - 午夜星光 - 博客园

java单列集合-CSDN博客