JAVA基础学习笔记-day11-集合框架

博文主要是自己学习JAVA基础中的笔记，供自己以后复习使用，参考的主要教程是B站的
尚硅谷宋红康2023大数据教程
合抱之木，生于毫末；九层之台，起于累土。—老子《道德经·第六十四章》

1. 集合框架概述

1.1 数组的特点与弊端

• 使用数组存储对象方面具有一些弊端，而Java 集合就像一种容器，可以动态地把多个对象的引用放入容器中。
• 数组在内存存储方面的特点：
  • 数组初始化以后，长度就确定了。
  • 数组中的添加的元素是依次紧密排列的，有序的，可以重复的。
  • 数组声明的类型，就决定了进行元素初始化时的类型。不是此类型的变量，就不能添加。
  • 可以存储基本数据类型值，也可以存储引用数据类型的变量
• 数组在存储数据方面的弊端：
• 数组初始化以后，长度就不可变了，不便于扩展
• 数组中提供的属性和方法少，不便于进行添加、删除、插入、获取元素个数等操作，且效率不高。
• 数组存储数据的特点单一，只能存储有序的、可以重复的数据
  Java 集合框架中的类可以用于存储多个对象，还可用于保存具有映射关系的关联数组。

1.2 Java集合框架体系

Java 集合可分为 Collection 和 Map 两大体系：

• Collection接口：用于存储一个一个的数据，也称单列数据集合。
  • List子接口：用来存储有序的、可以重复的数据（主要用来替换数组，"动态"数组）
    • 实现类：ArrayList(主要实现类)、LinkedList、Vector
• Set子接口：用来存储无序的、不可重复的数据（类似于高中讲的"集合"）
  • 实现类：HashSet(主要实现类)、LinkedHashSet、TreeSet
• Map接口：用于存储具有**映射关系“key-value对”**的集合，即一对一对的数据，也称双列数据集合。(类似于高中的函数、映射。(x1,y1),(x2,y2) —> y = f(x) )
  • HashMap(主要实现类)、LinkedHashMap、TreeMap、Hashtable、Properties
• JDK提供的集合API位于java.util包内
• 图示：集合框架全图
  
  简图1：Collection接口继承树
  
  简图2：Map接口继承树
  

2. Collection接口及方法

• JDK不提供此接口的任何直接实现，而是提供更具体的子接口（如：Set和List）去实现。
• Collection 接口是 List和Set接口的父接口，该接口里定义的方法既可用于操作 Set 集合，也可用于操作 List 集合。方法如下：

2.1 添加

（1）add(E obj)：添加元素对象到当前集合中
（2）addAll(Collection other)：添加other集合中的所有元素对象到当前集合中，即this = this ∪ other

2.2 判断

（3）int size()：获取当前集合中实际存储的元素个数
（4）boolean isEmpty()：判断当前集合是否为空集合
（5）boolean contains(Object obj)：判断当前集合中是否存在一个与obj对象equals返回true的元素
（6）boolean containsAll(Collection coll)：判断coll集合中的元素是否在当前集合中都存在。即coll集合是否是当前集合的“子集”
（7）boolean equals(Object obj)：判断当前集合与obj是否相等

2.3 删除

（8）void clear()：清空集合元素
（9） boolean remove(Object obj) ：从当前集合中删除第一个找到的与obj对象equals返回true的元素。
（10）boolean removeAll(Collection coll)：从当前集合中删除所有与coll集合中相同的元素。即this = this - this ∩ coll
（11）boolean retainAll(Collection coll)：从当前集合中删除两个集合中不同的元素，使得当前集合仅保留与coll集合中的元素相同的元素，即当前集合中仅保留两个集合的交集，即this = this ∩ coll；

2.4 其它

（12）Object[] toArray()：返回包含当前集合中所有元素的数组
（13）hashCode()：获取集合对象的哈希值
（14）iterator()：返回迭代器对象，用于集合遍历

3. Iterator(迭代器)接口

3.1 Iterator接口

• 在程序开发中，经常需要遍历集合中的所有元素。针对这种需求，JDK专门提供了一个接口java.util.Iterator。Iterator接口也是Java集合中的一员，但它与Collection、Map接口有所不同。

  • Collection接口与Map接口主要用于存储元素
  • Iterator，被称为迭代器接口，本身并不提供存储对象的能力，主要用于遍历Collection中的元素

• 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。

  • public Iterator iterator(): 获取集合对应的迭代器，用来遍历集合中的元素的。
  • 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。

• Iterator接口的常用方法如下：

  • public E next():返回迭代的下一个元素。
  • public boolean hasNext():如果仍有元素可以迭代，则返回 true。

• 注意：在调用it.next()方法之前必须要调用it.hasNext()进行检测。若不调用，且下一条记录无效，直接调用it.next()会抛出NoSuchElementException异常。

3.2 迭代器的执行原理

Iterator迭代器对象在遍历集合时，内部采用指针的方式来跟踪集合中的元素，接下来通过一个图例来演示Iterator对象迭代元素的过程：

使用Iterator迭代器删除元素：java.util.Iterator迭代器中有一个方法：void remove() ;
注意：

• Iterator可以删除集合的元素，但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。

• Collection已经有remove(xx)方法了，为什么Iterator迭代器还要提供删除方法呢？因为迭代器的remove()可以按指定的条件进行删除。

3.3 foreach循环

• foreach循环（也称增强for循环）是 JDK5.0 中定义的一个高级for循环，专门用来遍历数组和集合的。

• foreach循环的语法格式：

for(元素的数据类型 局部变量 : Collection集合或数组){ 
  	//操作局部变量的输出操作
}
//这里局部变量就是一个临时变量，自己命名就可以

package com.atguigu.iterator;

import org.junit.Test;

import java.util.ArrayList;
import java.util.Collection;

public class TestForeach {
    @Test
    public void test01(){
        Collection coll = new ArrayList();
        coll.add("小李广");
        coll.add("扫地僧");
        coll.add("石破天");
		//foreach循环其实就是使用Iterator迭代器来完成元素的遍历的。
        for (Object o : coll) {
            System.out.println(o);
        }
    }
    @Test
    public void test02(){
        int[] nums = {1,2,3,4,5};
        for (int num : nums) {
            System.out.println(num);
        }
        System.out.println("-----------------");
        String[] names = {"张三","李四","王五"};
        for (String name : names) {
            System.out.println(name);
        }
    }
}

对于集合的遍历，增强for的内部原理其实是个Iterator迭代器。如下图。

它用于遍历Collection和数组。通常只进行遍历元素，不要在遍历的过程中对集合元素进行增删操作。

4. Collection子接口1：List

4.1 List接口特点

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

4.2 List接口方法

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。

• 插入元素
  • 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
• 获取元素
  • Object get(int index):获取指定index位置的元素
  • List subList(int fromIndex, int toIndex):返回从fromIndex到toIndex位置的子集合
• 获取元素索引
  • int indexOf(Object obj):返回obj在集合中首次出现的位置
  • int lastIndexOf(Object obj):返回obj在当前集合中末次出现的位置
• 删除和替换元素
  • Object remove(int index):移除指定index位置的元素，并返回此元素
  • Object set(int index, Object ele):设置指定index位置的元素为ele

4.3 List接口主要实现类：ArrayList

• ArrayList 是 List 接口的主要实现类
• 本质上，ArrayList是对象引用的一个”变长”数组
• Arrays.asList(…) 方法返回的 List 集合，既不是 ArrayList 实例，也不是 Vector 实例。 Arrays.asList(…) 返回值是一个固定长度的 List 集合

4.4 List的实现类之二：LinkedList

• 对于频繁的插入或删除元素的操作，建议使用LinkedList类，效率较高。这是由底层采用链表（双向链表）结构存储数据决定的
• 特有方法：
• void addFirst(Object obj)
• void addLast(Object obj)
• Object getFirst()
• Object getLast()
• Object removeFirst()
• Object removeLast()

4.5 List的实现类之三：Vector

• Vector 是一个古老的集合，JDK1.0就有了。大多数操作与ArrayList相同，区别之处在于Vector是线程安全的。
• 在各种List中，最好把ArrayList作为默认选择。当插入、删除频繁时，使用LinkedList；Vector总是比ArrayList慢，所以尽量避免使用。
• 特有方法：
  • void addElement(Object obj)
  • void insertElementAt(Object obj,int index)
  • void setElementAt(Object obj,int index)
  • void removeElement(Object obj)
  • void removeAllElements()

5. Collection子接口2：Set

5.1 Set接口概述

• Set接口是Collection的子接口，Set接口相较于Collection接口没有提供额外的方法
• Set 集合不允许包含相同的元素，如果试把两个相同的元素加入同一个 Set 集合中，则添加操作失败。
• Set集合支持的遍历方式和Collection集合一样：foreach和Iterator。
• Set的常用实现类有：HashSet、TreeSet、LinkedHashSet。

5.2 Set主要实现类：HashSet

5.2.1 HashSet概述

• HashSet 是 Set 接口的主要实现类，大多数时候使用 Set 集合时都使用这个实现类。

• HashSet 按 Hash 算法来存储集合中的元素，因此具有很好的存储、查找、删除性能。

• HashSet 具有以下特点：

  • 不能保证元素的排列顺序
  • HashSet 不是线程安全的
  • 集合元素可以是 null

• HashSet 集合判断两个元素相等的标准：两个对象通过 hashCode() 方法得到的哈希值相等，并且两个对象的 equals() 方法返回值为true。

• 对于存放在Set容器中的对象，对应的类一定要重写hashCode()和equals(Object obj)方法，以实现对象相等规则。即：“相等的对象必须具有相等的散列码”。

• HashSet集合中元素的无序性，不等同于随机性。这里的无序性与元素的添加位置有关。具体来说：我们在添加每一个元素到数组中时，具体的存储位置是由元素的hashCode()调用后返回的hash值决定的。导致在数组中每个元素不是依次紧密存放的，表现出一定的无序性。

5.2.2 HashSet中添加元素的过程：

• 第1步：当向 HashSet 集合中存入一个元素时，HashSet 会调用该对象的 hashCode() 方法得到该对象的 hashCode值，然后根据 hashCode值，通过某个散列函数决定该对象在 HashSet 底层数组中的存储位置。
• 第2步：如果要在数组中存储的位置上没有元素，则直接添加成功。
• 第3步：如果要在数组中存储的位置上有元素，则继续比较：
  • 如果两个元素的hashCode值不相等，则添加成功；
  • 如果两个元素的hashCode()值相等，则会继续调用equals()方法：
    • 如果equals()方法结果为false，则添加成功。
    • 如果equals()方法结果为true，则添加失败。

  第2步添加成功，元素会保存在底层数组中。

  第3步两种添加成功的操作，由于该底层数组的位置已经有元素了，则会通过链表的方式继续链接，存储。

5.2.3 重写 hashCode() 方法的基本原则

• 在程序运行时，同一个对象多次调用 hashCode() 方法应该返回相同的值。
• 当两个对象的 equals() 方法比较返回 true 时，这两个对象的 hashCode() 方法的返回值也应相等。
• 对象中用作 equals() 方法比较的 Field，都应该用来计算 hashCode 值。

注意：如果两个元素的 equals() 方法返回 true，但它们的 hashCode() 返回值不相等，hashSet 将会把它们存储在不同的位置，但依然可以添加成功

5.2.4 重写equals()方法的基本原则

• 重写equals方法的时候一般都需要同时复写hashCode方法。通常参与计算hashCode的对象的属性也应该参与到equals()中进行计算。

• 推荐：开发中直接调用Eclipse/IDEA里的快捷键自动重写equals()和hashCode()方法即可。

  • 为什么用Eclipse/IDEA复写hashCode方法，有31这个数字？

  首先，选择系数的时候要选择尽量大的系数。因为如果计算出来的hash地址越大，所谓的“冲突”就越少，查找起来效率也会提高。（减少冲突）
  
  其次，31只占用5bits,相乘造成数据溢出的概率较小。
  
  再次，31可以 由i*31== (i<<5)-1来表示,现在很多虚拟机里面都有做相关优化。（提高算法效率）
  
  最后，31是一个素数，素数作用就是如果我用一个数字来乘以这个素数，那么最终出来的结果只能被素数本身和被乘数还有1来整除！(减少冲突)
  

5.3 Set实现类之二：LinkedHashSet

• LinkedHashSet 是 HashSet 的子类，不允许集合元素重复。
• LinkedHashSet 根据元素的 hashCode 值来决定元素的存储位置，但它同时使用双向链表维护元素的次序，这使得元素看起来是以添加顺序保存的。
• LinkedHashSet插入性能略低于 HashSet，但在迭代访问 Set 里的全部元素时有很好的性能。
  

5.4 Set实现类之三：TreeSet

5.4.1 TreeSet概述

• TreeSet 是 SortedSet 接口的实现类，TreeSet 可以按照添加的元素的指定的属性的大小顺序进行遍历。
• TreeSet底层使用红黑树结构存储数据
• 新增的方法如下： (了解)
  • Comparator comparator()
  • Object first()
  • Object last()
  • Object lower(Object e)
  • Object higher(Object e)
  • SortedSet subSet(fromElement, toElement)
  • SortedSet headSet(toElement)
  • SortedSet tailSet(fromElement)
• TreeSet特点：不允许重复、实现排序（自然排序或定制排序）
• TreeSet 两种排序方法：自然排序和定制排序。默认情况下，TreeSet 采用自然排序。
  • 自然排序：TreeSet 会调用集合元素的 compareTo(Object obj) 方法来比较元素之间的大小关系，然后将集合元素按升序(默认情况)排列。
    • 如果试图把一个对象添加到 TreeSet 时，则该对象的类必须实现 Comparable 接口。
    • 实现 Comparable 的类必须实现 compareTo(Object obj) 方法，两个对象即通过 compareTo(Object obj) 方法的返回值来比较大小。
  • 定制排序：如果元素所属的类没有实现Comparable接口，或不希望按照升序(默认情况)的方式排列元素或希望按照其它属性大小进行排序，则考虑使用定制排序。定制排序，通过Comparator接口来实现。需要重写compare(T o1,T o2)方法。
    • 利用int compare(T o1,T o2)方法，比较o1和o2的大小：如果方法返回正整数，则表示o1大于o2；如果返回0，表示相等；返回负整数，表示o1小于o2。
    • 要实现定制排序，需要将实现Comparator接口的实例作为形参传递给TreeSet的构造器。
• 因为只有相同类的两个实例才会比较大小，所以向 TreeSet 中添加的应该是同一个类的对象。
• 对于 TreeSet 集合而言，它判断两个对象是否相等的唯一标准是：两个对象通过 compareTo(Object obj) 或compare(Object o1,Object o2)方法比较返回值。返回值为0，则认为两个对象相等。

6. Map接口

6.1 Map接口概述

• Map与Collection并列存在。用于保存具有映射关系的数据：key-value
  • Collection集合称为单列集合，元素是孤立存在的（理解为单身）。
  • Map集合称为双列集合，元素是成对存在的(理解为夫妻)。
• Map 中的 key 和 value 都可以是任何引用类型的数据。但常用String类作为Map的“键”。
• Map接口的常用实现类：HashMap、LinkedHashMap、TreeMap和``Properties。其中，HashMap是 Map 接口使用频率最高`的实现类。
  

6.2 Map中key-value特点

Map 中的 key用Set来存放，不允许重复，即同一个 Map 对象所对应的类，须重写hashCode()和equals()方法

key 和 value 之间存在单向一对一关系，即通过指定的 key 总能找到唯一的、确定的 value，不同key对应的value可以重复。value所在的类要重写equals()方法。
key和value构成一个entry。所有的entry彼此之间是无序的、不可重复的。

6.2 Map接口的常用方法

• 添加、修改操作：
  • Object put(Object key,Object value)：将指定key-value添加到(或修改)当前map对象中
  • void putAll(Map m):将m中的所有key-value对存放到当前map中
• 删除操作：
  • Object remove(Object key)：移除指定key的key-value对，并返回value
  • void clear()：清空当前map中的所有数据
• 元素查询的操作：
  • Object get(Object key)：获取指定key对应的value
  • boolean containsKey(Object key)：是否包含指定的key
  • boolean containsValue(Object value)：是否包含指定的value
  • int size()：返回map中key-value对的个数
  • boolean isEmpty()：判断当前map是否为空
  • boolean equals(Object obj)：判断当前map和参数对象obj是否相等
• 元视图操作的方法：
  • Set keySet()：返回所有key构成的Set集合
  • Collection values()：返回所有value构成的Collection集合
  • Set entrySet()：返回所有key-value对构成的Set集合

  6.3 Map的主要实现类：HashMap

6.3.1 HashMap概述

• HashMap是 Map 接口使用频率最高的实现类。
• HashMap是线程不安全的。允许添加 null 键和 null 值。
• 存储数据采用的哈希表结构，底层使用一维数组+单向链表+红黑树进行key-value数据的存储。与HashSet一样，元素的存取顺序不能保证一致。
• HashMap 判断两个key相等的标准是：两个 key 的hashCode值相等，通过 equals() 方法返回 true。
• HashMap 判断两个value相等的标准是：两个 value 通过 equals() 方法返回 true。

6.4 Map实现类之二：LinkedHashMap

• LinkedHashMap 是 HashMap 的子类
• 存储数据采用的哈希表结构+链表结构，在HashMap存储结构的基础上，使用了一对双向链表来记录添加元素的先后顺序，可以保证遍历元素时，与添加的顺序一致。
• 通过哈希表结构可以保证键的唯一、不重复，需要键所在类重写hashCode()方法、equals()方法。

6.5 Map实现类之三：TreeMap

• TreeMap存储 key-value 对时，需要根据 key-value 对进行排序。TreeMap 可以保证所有的 key-value 对处于有序状态。
• TreeSet底层使用红黑树结构存储数据
• TreeMap 的 Key 的排序：
  • 自然排序：TreeMap 的所有的 Key 必须实现 Comparable 接口，而且所有的 Key 应该是同一个类的对象，否则将会抛出 ClasssCastException
  • 定制排序：创建 TreeMap 时，构造器传入一个 Comparator 对象，该对象负责对 TreeMap 中的所有 key 进行排序。此时不需要 Map 的 Key 实现 Comparable 接口
• TreeMap判断两个key相等的标准：两个key通过compareTo()方法或者compare()方法返回0。

6.6 Map实现类之四：Hashtable

• Hashtable是Map接口的古老实现类，JDK1.0就提供了。不同于HashMap，Hashtable是线程安全的。
• Hashtable实现原理和HashMap相同，功能相同。底层都使用哈希表结构（数组+单向链表），查询速度快。
• 与HashMap一样，Hashtable 也不能保证其中 Key-Value 对的顺序
• Hashtable判断两个key相等、两个value相等的标准，与HashMap一致。
• 与HashMap不同，Hashtable 不允许使用 null 作为 key 或 value。

面试题：Hashtable和HashMap的区别

HashMap:底层是一个哈希表（jdk7:数组+链表;jdk8:数组+链表+红黑树）,是一个线程不安全的集合,执行效率高
Hashtable:底层也是一个哈希表（数组+链表）,是一个线程安全的集合,执行效率低

HashMap集合:可以存储null的键、null的值
Hashtable集合,不能存储null的键、null的值

Hashtable和Vector集合一样,在jdk1.2版本之后被更先进的集合(HashMap,ArrayList)取代了。所以HashMap是Map的主要实现类，Hashtable是Map的古老实现类。

Hashtable的子类Properties（配置文件）依然活跃在历史舞台
Properties集合是一个唯一和IO流相结合的集合

6.7 Map实现类之五：Properties

• Properties 类是 Hashtable 的子类，该对象用于处理属性文件
• 由于属性文件里的 key、value 都是字符串类型，所以 Properties 中要求 key 和 value 都是字符串类型
• 存取数据时，建议使用setProperty(String key,String value)方法和getProperty(String key)方法

7. Collections工具类

参考操作数组的工具类：Arrays，Collections 是一个操作 Set、List 和 Map 等集合的工具类。

7.1 常用方法

Collections 中提供了一系列静态的方法对集合元素进行排序、查询和修改等操作，还提供了对集合对象设置不可变、对集合对象实现同步控制等方法（均为static方法）：
排序操作：

• reverse(List)：反转 List 中元素的顺序
• shuffle(List)：对 List 集合元素进行随机排序
• sort(List)：根据元素的自然顺序对指定 List 集合元素按升序排序
• sort(List，Comparator)：根据指定的 Comparator 产生的顺序对 List 集合元素进行排序
• swap(List，int， int)：将指定 list 集合中的 i 处元素和 j 处元素进行交换
  查找
• Object max(Collection)：根据元素的自然顺序，返回给定集合中的最大元素
• Object max(Collection，Comparator)：根据 Comparator 指定的顺序，返回给定集合中的最大元素
• Object min(Collection)：根据元素的自然顺序，返回给定集合中的最小元素
• Object min(Collection，Comparator)：根据 Comparator 指定的顺序，返回给定集合中的最小元素
• int binarySearch(List list,T key)在List集合中查找某个元素的下标，但是List的元素必须是T或T的子类对象，而且必须是可比较大小的，即支持自然排序的。而且集合也事先必须是有序的，否则结果不确定。
• int binarySearch(List list,T key,Comparator c)在List集合中查找某个元素的下标，但是List的元素必须是T或T的子类对象，而且集合也事先必须是按照c比较器规则进行排序过的，否则结果不确定。
• int frequency(Collection c，Object o)：返回指定集合中指定元素的出现次数
  复制、替换
• void copy(List dest,List src)：将src中的内容复制到dest中
• boolean replaceAll(List list，Object oldVal，Object newVal)：使用新值替换 List 对象的所有旧值
• 提供了多个unmodifiableXxx()方法，该方法返回指定 Xxx的不可修改的视图。
  添加
• boolean addAll(Collection c,T… elements)将所有指定元素添加到指定 collection 中。
  同步
• Collections 类中提供了多个 synchronizedXxx() 方法，该方法可使将指定集合包装成线程同步的集合，从而可以解决多线程并发访问集合时的线程安全问题：