Java集合 : 底层原理剖析

目录

一、⭐️Java集合框架概述

二、⭐️Collection接口方法

三、⭐️Iterator迭代器接口

1. Iterator接口中的方法

2. foreach循环遍历集合元素

四、⭐️Collection子接口 : List

1. List的接口框架

2. ArrayList的源码分析

2.1 JDK 7中

2.2 JDK 8中

2.3 小结

3. LinkedList的源码分析

4. Vector的源码分析

5. List接口中的方法

五、⭐️Collection子接口 : Set

1. Set的接口框架

2. 如何理解Set接口特点

3. 添加元素的过程

4. hashCode()方法的重写

5. HashSet的使用

6. LinkedHashSet的使用

7. TreeSet的使用

7.1 TreeSet的自然排序

7.2 TreeSet的定制排序

六、⭐️Map接口

1. Map的接口框架

2. 关于Map结构的理解

3. HashMap的底层实现原理

3.1 JDK 7中

3.2 JDK 8中

4. LinkedHashMap的底层实现原理

5. Map接口中的方法

6. TreeMap的使用

6.1 TreeMap的自然排序

6.2 TreeMap的定制排序

7. Properties的使用

七、⭐️Collections工具类

1. 排序操作

2. 查找替换操作

3. 同步控制

---

一、Java集合框架概述

集合、数组都是对多个数据进行存储操作的结构，简称Java容器

说明 : 此时的存储，主要指的是内存层面的存储，不涉及到持久化的存储(.txt，.jpg，.avi，数据库中)

数组在存储多个数据方面的特点 :

• 一旦初始化之后，其长度就确定了

• 数组一旦定义好，其元素的类型也就确定了，只能操作指定类型的数据。比如 : String[] arr，int[] arr；

数组在存储多个数据方面的缺点 :

• 一旦初始化之后，其长度就不可修改

• 数组中提供的方法非常有限，对于 : 添加、删除、插入数据等操作，非常不方便，同时效率不高

• 获取数组中实际元素的个数的需求，数组中没有现成的属性或方法可用

• 数组存储数据的特点是有序的，可以存储重复的数据(有序，可重复)，对于无序，不可重复的需求不能满足

关于数组的优缺点，集合都能很好的满足，其使用场景有 : 数据库返回的为一个List

 

Java集合可分为Collection和Map两种体系 :

• Collection接口 : 单列数据，定义了存取一组对象的方法的集合

  • List : 元素有序、可重复的集合

  • Set : 元素无序、不可重复的集合

• Map接口 : 双列数据，保存具有映射关系 "key - value 对" 的集合

Collection接口继承树 :

说明 : 实线为继承，虚线为实现

 

Map接口继承树 :

|----Collection接口 : 单列集合，用来存储一个一个的对象
    |----List接口 : 存储有序、可重复的数据 --> "动态"数组
        |----ArrayList、LinkedList、Vector
​
    |----Set接口 : 存储无序、不可重复的数据 --> 高中讲的 "集合"
        |----HashSet、LinkedHashSet、TreeSet
​
​
|----Map接口 : 双列集合，用来存储一对 (key - value) 一对的数据 --> 高中函数 : y = f(x)
        |----HashMap、LinkedHashMap、TreeMap、Hashtable、Properties

二、Collection接口方法

最基本的15种方法 :

add(Object obj)、addAll(Collection coll)、size()、isEmpty()、clear();
​
contains(Object obj)、containsAll(Collection coll)、remove(Object obj)、removeAll(Collection voll)、retainsAll(Collection coll)、equals(Object obj);
​
hashCode()、toArray()、iterator();

1、添加

• add(Object obj)

• addAll(Collection coll)

2、获取有效元素的个数

• int size()

3、清空集合

• void clear()

4、是否是空集合

• boolean isEmpty()

/*
Collection接口中声明的方法测试
*/
@SuppressWarnings("rawtypes")
@Test
public void test01(){
    Collection coll = new ArrayList();
​
    //add(Object e) : 将元素e添加到集合coll中
    coll.add("AA");
    coll.add(123);
    coll.add(new Object());
    coll.add("BB");
​
    //size() : 获取添加元素的个数
    System.out.println(coll.size());//4
​
    Collection coll1 = new ArrayList();
    coll1.add("AA");
    coll1.add(new Date());
​
    //addAll(Collection c) : 将c集合中的元素全部添加到当前集合中
    coll.addAll(coll1);
    System.out.println(coll.size());//6
​
    System.out.println(coll);
    //[AA, 123, java.lang.Object@76fb509a, BB, AA, Fri Aug 12 17:38:17 CST 2022]
​
    //clear() : 清空集合元素
    coll.clear();
​
    //isEmpty() : 判断当前集合是否为空
    System.out.println(coll.isEmpty());//true
}

5、是否包含某个元素

• boolean contains(Object obj)：是通过元素的equals方法来判断是否是同一个对象

• boolean containsAll(Collection c)：也是调用元素的equals方法来比较的。拿两个集合的元素挨个比较。

/*
Collection接口中声明的方法测试
向Collection接口的实现类中添加数据obj时，要求obj所在的类要重写equals()方法
 */
@SuppressWarnings("rawtypes")
@Test
public void test02(){
    Collection coll = new ArrayList();
​
    coll.add(123);
    coll.add(456);
    coll.add(new String("Tom"));
    coll.add(false);
    Person p = new Person("Jerry", 20);
    coll.add(p);
​
    //contains(Object obj) : 判断当前集合是否包含obj
    //我们在判断时会调用obj对象所在类的equals()方法
    boolean contains = coll.contains(123);
    System.out.println(contains);//true
    System.out.println(coll.contains(new String("Tom")));//true
                                        // --> 判断的内容(重写的equals方法)
    System.out.println(coll.contains(new Person("Jerry", 20)));//false
                                        // --> 由于equals方法未重写 所以就是判断的地址
​
    //containsAll(Collection coll) : 判断形参coll中的所有元素是否都存在于当前集合中
    List list = Arrays.asList(123, 456);//返回list类型 list是collection的子接口
    System.out.println(coll.containsAll(list));//true
}

6、删除

• boolean remove(Object obj) ：通过元素的equals方法判断是否是要删除的那个元素。只会删除找到的第一个元素

• boolean removeAll(Collection coll)：取当前集合的差集

/*
Collection接口中声明的方法测试
*/
@SuppressWarnings("rawtypes")
@Test
public void test03(){
    Collection coll = new ArrayList();
​
    coll.add(123);
    coll.add(456);
    coll.add(new String("Tom"));
    coll.add(false);
    coll.add(new Person("Jerry", 20));
​
    //remove(Object obj) : 从当前集合中移除
    System.out.println(coll.remove(123));//true
    System.out.println(coll);//[456, Tom, false, Person{name='Jerry', age=20}]
​
    System.out.println(coll.remove(new Person("Jerry", 20)));
    System.out.println(coll);
​
    //removeAll(Collection coll) : 从当前集合中移除coll当中的所有元素 （差集）
    List list = Arrays.asList(123, 456);
    System.out.println(coll.removeAll(list));//true
}

7、取两个集合的交集

• boolean retainAll(Collection c)：把交集的结果存在当前集合中，不影响c

8、集合是否相等

• boolean equals(Object obj)

 /*
    Collection接口中声明的方法测试
    */
    @SuppressWarnings("rawtypes")
    @Test
    public void test04(){
        Collection coll = new ArrayList();
​
        coll.add(123);
        coll.add(456);
        coll.add(new String("Tom"));
        coll.add(false);
        coll.add(new Person("Jerry", 20));
​
        //retainAll(Collection coll) : 获取当前集合和coll集合之间的交集 修改当前集合的值为交集的值
//        List list = Arrays.asList(123, 456, 789);
//        System.out.println(coll.retainAll(list));//true
//        System.out.println(coll);//[123, 456]
​
        //equals(Object obj) : 判断当前集合中的每个元素和另一个集合是否相等(顺序元素都相等)
        Collection coll1 = new ArrayList();
​
        coll1.add(123);
        coll1.add(456);
        coll1.add(new String("Tom"));
        coll1.add(false);
        coll1.add(new Person("Jerry", 20));
​
        boolean equals = coll.equals(coll1);
        System.out.println(equals);//true
    }

9、转成对象数组

• Object[] toArray()

10、获取集合对象的哈希值

• hashCode()

11、遍历

• iterator()：返回迭代器对象，用于集合遍历

/*
Collection接口中声明的方法测试
*/
@SuppressWarnings("rawtypes")
@Test
public void test05() {
    Collection coll = new ArrayList();
​
    coll.add(123);
    coll.add(456);
    coll.add(new String("Tom"));
    coll.add(false);
    coll.add(new Person("Jerry", 20));
​
    //hashCode() : 返回当前对象的哈希值
    System.out.println(coll.hashCode());//-2061953047
​
    //toArray() : 集合 --> 数组
    Object[] arr = coll.toArray();//返回的是Object类型的数组
    for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
        System.out.println(arr[i]);
    }
​
    //拓展 : 数组 --> 集合 Arrays.asList(T...t) 可变形参不推荐new，直接写数据即可
    List list = Arrays.asList(new String[]{"AA", "BB", "CC"});
    System.out.println(list);//[AA, BB, CC]
​
    List list1 = Arrays.asList(new int[]{123, 456});//认为是一个参数(一维数组)
    System.out.println(list1);//[[I@300ffa5d]
    System.out.println(list1.size());//1 --> 一个元素
​
    List list2 = Arrays.asList(new Integer[]{123, 456});
    System.out.println(list2);//[123, 456]
    System.out.println(list2.size());//2 --> 两个元素
    
    //iterator() : 返回Iterator接口的实例，用于遍历集合元素 放在IteratorTest.java中测试
}

三、Iterator迭代器接口

Iterator对象称为迭代器(设计模式的一种)，主要用于遍历 Collection 集合(不用于Map集合)中的元素。

GOF给迭代器模式的定义为：提供一种方法访问一个容器(container)对象中各个元素，而又不需暴露该对象的内部细节。迭代器模式，就是为容器而生。类似于“公交车上的售票员”、“火车上的乘务员”、“空姐”。

Collection接口继承了java.lang.Iterable接口，该接口有一个iterator()方法，那么所有实现了Collection接口的集合类都有一个iterator()方法，用以返回一个实现了Iterator接口的对象。

Iterator 仅用于遍历集合，Iterator 本身并不提供承装对象的能力。如果需要创建Iterator 对象，则必须有一个被迭代的集合。

集合对象每次调用iterator()方法都得到一个全新的迭代器对象，默认游标都在集合的第一个元素之前。

1. Iterator接口中的方法

  @SuppressWarnings("rawtypes")
    @Test
    public void test(){
        Collection coll = new ArrayList();
​
        coll.add(123);
        coll.add(456);
        coll.add(new String("Tom"));
        coll.add(false);
        coll.add(new Person("Jerry", 20));
​
        Iterator iterator = coll.iterator();
​
        //next() : 游标下移 返回游标对应的元素
        //遍历方式一 :
        System.out.println(iterator.next());//123
        System.out.println(iterator.next());//456
        System.out.println(iterator.next());//Tom
        System.out.println(iterator.next());//false
        System.out.println(iterator.next());//Person{name='Jerry', age=20}
        //报异常 : NoSuchElementException
//        System.out.println(iterator.next());
​
        //遍历方式二 :
        //注意游标不会重置 这里重新获取一个迭代器对象
        Iterator iterator1 = coll.iterator();
        for (int i = 0; i < coll.size(); i++) {
            System.out.println(iterator1.next());
        }
​
        //hasNext() : 判断是否还有下一个元素
        //遍历方式三 : 推荐
        Iterator iterator2 = coll.iterator();
        while (iterator2.hasNext()){// 判断是否还有下一个元素
            //① 指针下移 ② 将下移以后集合位置上的元素返回
            System.out.println(iterator2.next());
        }
​
    }

测试Iterator中的remove() :

@SuppressWarnings("rawtypes")
@Test
public void test2(){
    Collection coll = new ArrayList();

    coll.add(123);
    coll.add(456);
    coll.add(new String("Tom"));
    coll.add(false);
    coll.add(new Person("Jerry", 20));

    Iterator iterator = coll.iterator();
    //remove() : 可以在遍历的时候 删除集合中的元素 (删除游标对应的元素)
    while (iterator.hasNext()){
        Object obj = iterator.next();
        if ("Tom".equals(obj)){
            iterator.remove();
            
            //不能连续调用两次 会报异常 IllegalStateException
//          iterator.remove();
            
        }
    }

    Iterator iterator1 = coll.iterator();
    while (iterator1.hasNext()){
        System.out.println(iterator1.next());
    }
}

注意 :

• Iterator可以删除集合的元素，但是是遍历过程中通过迭代器对象的remove方法，不是集合对象的remove方法。

• 如果还未调用next()或在上一次调用 next 方法之后已经调用了 remove 方法，再调用remove都会报IllegalStateException。

2. foreach循环遍历集合元素

Java 5.0 提供了 foreach 循环 (增强for循环) 迭代访问 Collection和数组。

• 遍历操作不需获取Collection或数组的长度，无需使用索引访问元素。

• 遍历集合的底层调用Iterator完成操作。

• foreach还可以用来遍历数组。

for (集合元素的类型 局部变量 : 要遍历的集合对象){
	//内部仍然调用了迭代器实现
}

局部变量 : 盛装对应的元素 不是索引

遍历集合 :

public class ForTest {
    public static void main(String[] args) {
        Collection coll = new ArrayList();

        coll.add(123);
        coll.add(456);
        coll.add(new String("Tom"));
        coll.add(false);
        coll.add(new Person("Jerry", 20));

        //for(集合元素的类型 局部变量 : 集合对象)
        /*
        过程 : 内部用迭代器实现
        先取coll中第一个元素赋值给obj
        然后取第二个元素赋值给obj
         */
        for(Object obj : coll){
            System.out.println(obj);
        }
    }
}

遍历数组 :

@Test
public void test(){
    int[] arr = new int[]{1, 2, 3, 4, 5, 6};
    //for(数组元素的类型 局部变量 : 数组对象)
    for (int i : arr){
        System.out.println(i);//这里的 i 就是对应的元素 不是索引
    }
}

练习题 :

    @Test
    public void test01() {
        String[] arr = new String[]{"MM", "MM", "MM"};

        //方式一 : 普通for赋值
//        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
//            arr[i] = "GG";
//        }

        //方式二 : 增强for赋值
        for (String str : arr){
            str = "GG";//此时的赋值不是修改的数组本身 而是修改的局部变量
        }

        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            System.out.println(arr[i]);
        }
    }

四、Collection子接口 : List

鉴于Java中数组用来存储数据的局限性，我们通常使用List替代数组，称作动态数组。

List集合类中元素有序、且可重复，集合中的每个元素都有其对应的顺序索引。

List容器中的元素都对应一个整数型的序号记载其在容器中的位置，可以根据序号存取容器中的元素。

JDK API中List接口的实现类常用的有：ArrayList、LinkedList和Vector。

1. List的接口框架

|----Collection接口 : 单列集合，用来存储一个一个的对象
    |----List接口 : 存储有序、可重复的数据 --> "动态"数组,替换原有的数组
        |----ArrayList
        |----LinkedList
        |----Vector

比较ArrayList、LinkedList、Vector三者的异同 ?

相同点 : 三个类都是实现了List接口，存储数据的特点相同 : 存储有序的、可重复的数据

不同点 :

• ArrayList : 作为List接口的主要实现类，线程不安全的，效率高，底层使用Object[] elementData存储

• Linkedlist : 对于频繁的增加和删除操作，使用此类效率比ArrayList高，底层使用双向链表存储

• Vector : 作为List接口的古老实现类，线程安全的，效率低，底层使用Object[] elementData存储

2. ArrayList的源码分析

2.1 JDK 7中

ArrayList list = new ArrayList();

底层创建了长度是10的 Object[] 数组 elementData

list.add(123);//elementData[0] = new Integer(123);
...
list.add(456);//如果此次的添加导致底层elementData数组容量不够,则需要扩容

默认情况下，扩容为原来容量的1.5倍，同时需要将原有数组中的数据复制到新的数组中 ( elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity) )。

结论 : 建议开发中使用带参的构造器 ：

ArrayList list = new ArrayList(int capacity);

2.2 JDK 8中

ArrayList list = new ArrayList();

底层Object[] elementData初始化为 {}，并没有创建长度为10的数组

list.add(123);

当第一次调用add()时，底层才创建了长度10的数组，并将数据123添加到elementData[0]

后续的添加与扩容操作与JDK7相同。

2.3 小结

JDK 7中的ArrayList的对象的创建类似于单例模式的饿汉式

JDK 8中的ArrayList的对象的创建类似于单例模式的懒汉式，延迟了数组的创建，节省内存。

3. LinkedList的源码分析

LinkedList list = new LinkedList();

内部声明了Node类型的first和last属性，默认值为null

list.add(123);

将123封装到Node中，创建了Node对象，其中Node的定义为如下，体现了LinkedList双向链表的实现原理。

private static class Node {
    E item;
    Node next;
    Node prev;

    Node(Node prev, E element, Node next) {
        this.item = element;
        this.next = next;
        this.prev = prev;
    }
}

4. Vector的源码分析

由于Vector容器是在JDK 1.0时就存在，而Collection接口框架在JDK 1.2时才有，是后才将Vector并入接口框架中的，所以对Vector的使用不多，Vector的特点是线程安全的。其底层实现与ArrayList的原理一样(Object[] 数组)，在创建对象的时候默认也是创建一个容量为10的Object数组，但在扩容的时候与ArrayList不同的是默认扩容2倍而非1.5倍。

5. List接口中的方法

List除了从Collection集合继承的方法外，List集合里添加了一些根据索引来操作集合元素的方法 :

• void add(int index, Object ele) : 在index位置插入ele元素

• boolean addAll(int index, Collection eles) : 从index位置开始将eles中的所有元素添加进来

  @SuppressWarnings("rawtypes")
  @Test
  public void test01(){
      List list = new ArrayList