Java 集合详解

一、集合的由来

　　通常，我们的程序需要根据程序运行时才知道创建多少个对象。但若非程序运行，程序开发阶段，我们根本不知道到底需要多少个数量的对象，甚至不知道它的准确类型。为了满足这些常规的编程需要，我们要求能在任何时候，任何地点创建任意数量的对象，而这些对象用什么来容纳呢？我们首先想到了数组，但是数组只能放统一类型的数据，而且其长度是固定的，那怎么办呢？集合便应运而生了！

为了对集合有个更加深入的了解，可以看我的这一篇文章：用 Java 数组来实现 ArrayList 集合 http://www.cnblogs.com/ysocean/p/6812674.html

二、集合是什么？

　Java集合类存放于 java.util 包中，是一个用来存放对象的容器。

注意：①、集合只能存放对象。比如你存一个 int 型数据 1放入集合中，其实它是自动转换成 Integer 类后存入的，Java中每一种基本类型都有对应的引用类型。

　　　②、集合存放的是多个对象的引用，对象本身还是放在堆内存中。

　　　③、集合可以存放不同类型，不限数量的数据类型。

三、Java 集合框架图

大图可以点此访问：https://qntc.gaoyaxuan.net/blog/20190504/eQpNs8vGLtUW.png

发现一个特点，上述所有的集合类，除了 map 系列的集合，即左边集合都实现了 Iterator 接口，这是一个用于遍历集合中元素的接口，主要hashNext(),next(),remove()三种方法。它的一个子接口 ListIterator 在它的基础上又添加了三种方法，分别是 add(),previous(),hasPrevious()。也就是说如果实现 Iterator 接口，那么在遍历集合中元素的时候，只能往后遍历，被遍历后的元素不会再被遍历到，通常无序集合实现的都是这个接口，比如HashSet；而那些元素有序的集合，实现的一般都是 LinkedIterator接口，实现这个接口的集合可以双向遍历，既可以通过next()访问下一个元素，又可以通过previous()访问前一个元素，比如ArrayList。

　　还有一个特点就是抽象类的使用。如果要自己实现一个集合类，去实现那些抽象的接口会非常麻烦，工作量很大。这个时候就可以使用抽象类，这些抽象类中给我们提供了许多

现成的实现，我们只需要根据自己的需求重写一些方法或者添加一些方法就可以实现自己需要的集合类，工作量大大降低。

简化版本:

四、集合详解

①、Iterator:迭代器，它是Java集合的顶层接口（不包括 map 系列的集合，Map接口是 map 系列集合的顶层接口）

　　Object next()：返回迭代器刚越过的元素的引用，返回值是 Object，需要强制转换成自己需要的类型

　　boolean hasNext()：判断容器内是否还有可供访问的元素

　　void remove()：删除迭代器刚越过的元素

所以除了 map 系列的集合，我们都能通过迭代器来对集合中的元素进行遍历。

注意：我们可以在源码中追溯到集合的顶层接口，比如 Collection 接口，可以看到它继承的是类 Iterable

那这就得说明一下 Iterator 和 Iterable 的区别：

Iterable ：存在于 java.lang 包中。

我们可以看到，里面封装了 Iterator 接口。所以只要实现了只要实现了Iterable接口的类，就可以使用Iterator迭代器了。

Iterator ：存在于 java.util 包中。核心的方法next(),hasnext(),remove()。

这里我们引用一个Iterator 的实现类 ArrayList 来看一下迭代器的使用：暂时先不管 List 集合是什么，只需要看看迭代器的用法就行了

//产生一个 List 集合，典型实现为 ArrayList。
        List list = new ArrayList();
        //添加三个元素
        list.add("Tom");
        list.add("Bob");
        list.add("Marry");
        //构造 List 的迭代器
        Iterator it = list.iterator();
        //通过迭代器遍历元素
        while(it.hasNext()){
            Object obj = it.next();
            System.out.println(obj);
        }

②、Collection:List 接口和 Set 接口的父接口

看一下 Collection 集合的使用例子：

//我们这里将 ArrayList集合作为 Collection 的实现类
        Collection collection = new ArrayList();
        
        //添加元素
        collection.add("Tom");
        collection.add("Bob");
        
        //删除指定元素
        collection.remove("Tom");
        
        //删除所有元素
        Collection c = new ArrayList();
        c.add("Bob");
        collection.removeAll(c);
        
        //检测是否存在某个元素
        collection.contains("Tom");
        
        //判断是否为空
        collection.isEmpty();
        
        //利用增强for循环遍历集合
        for(Object obj : collection){
            System.out.println(obj);
        }
        //利用迭代器 Iterator
        Iterator iterator = collection.iterator();
        while(iterator.hasNext()){
            Object obj = iterator.next();
            System.out.println(obj);
        }

③、List :有序，可以重复的集合。

由于 List 接口是继承于 Collection 接口，所以基本的方法如上所示。

1、List 接口的三个典型实现：

　　①、List list1 = new ArrayList();

　　　　底层数据结构是数组，查询快，增删慢;线程不安全，效率高

　 ②、List list2 = new Vector();

　　　　底层数据结构是数组，查询快，增删慢;线程安全，效率低,几乎已经淘汰了这个集合

　 ③、List list3 = new LinkedList();

　　　　底层数据结构是链表，查询慢，增删快;线程不安全，效率高

怎么记呢？我们可以想象：

　　数组就像身上编了号站成一排的人，要找第10个人很容易，根据人身上的编号很快就能找到。但插入、删除慢，要望某个位置插入或删除一个人时，后面的人身上的编号都要变。当然，加入或删除的人始终末尾的也快。

　　链表就像手牵着手站成一圈的人，要找第10个人不容易，必须从第一个人一个个数过去。但插入、删除快。插入时只要解开两个人的手，并重新牵上新加进来的人的手就可以。删除一样的道理。

ArrayList

　ArrayList是基于数组的，在初始化ArrayList时，会构建空数组（Object[] elementData={}）。ArrayList是一个有序的，它是按照添加的先后顺序排列，当然，他也提供了sort方法，如果需要对ArrayList进行排序，只需要调用这个方法，提供Comparator比较器即可

add操作：

　　1）如果是第一次添加元素，数组的长度被扩容到默认的capacity，也就是10.

　　2) 当发觉同时添加一个或者是多个元素，数组长度不够时，就扩容，这里有两种情况：

　　只添加一个元素，例如：原来数组的capacity为10，size已经为10，不能再添加了。需要扩容，新的capacity=old capacity+old capacity>>1=10+10/2=15.即新的容量为15。

　　当同时添加多个元素时，原来数组的capacity为10，size为10，当同时添加6个元素时。它需要的min capacity为16，而按照capacity=old capacity+old capacity>>1=10+10/2=15。new capacity小于min capacity，则取min capacity。(old capacity>>1 是位运算 )

　　对于添加，如果不指定下标，就直接添加到数组后面，不涉及元素的移动，如果要添加到某个特定的位置，那需要将这个位置开始的元素往后挪一个位置，然后再对这个位置设置。

Remove操作：

　Remove提供两种，按照下标和value。

　　1）remove(int index)：首先需要检查Index是否在合理的范围内。其次再调用System.arraycopy将index之后的元素向前移动。

　　2）remove(Object o)：首先遍历数组，获取第一个相同的元素，获取该元素的下标。其次再调用System.arraycopy将index之后的元素向前移动。

Get操作：

　　这个比较简单，直接对数组进行操作即可。

LinkedList

　　LinkedList是基于链表的，它是一个双向链表，每个节点维护了一个prev和next指针。同时对于这个链表，维护了first和last指针，first指向第一个元素，last指向最后一个元素。LinkedList是一个无序的链表，按照插入的先后顺序排序，不提供sort方法对内部元素排序。

Add元素：

　　LinkedList提供了几个添加元素的方法：addFirst、addLast、addAll、add等，时间复杂度为O(1)。

Remove元素：

　　LinkedList提供了几个移除元素的方法：removeFirst、removeLast、removeFirstOccurrence、remove等，时间复杂度为O(1)。

Get元素：

　　根据给定的下标index，判断它first节点、last直接距离，如果index<size（数组元素个数)/2,就从first开始。如果大于，就从last开始。这个和我们平常思维不太一样，也许按照我们的习惯，从first开始。这也算是一点小心的优化吧。

2、除此之外，List 接口遍历还可以使用普通 for 循环进行遍历，指定位置添加元素，替换元素等等。

遍历

在类集中提供了以下四种的常见输出方式：

1）Iterator：迭代输出，是使用最多的输出方式。

2）ListIterator：是Iterator的子接口，专门用于输出List中的内容。

3）foreach输出：JDK1.5之后提供的新功能，可以输出数组或集合。

4）for循环

代码示例如下：

for的形式：for（int i=0;i<arr.size();i++）{...}

foreach的形式： for（int　i：arr）{...}

iterator的形式：
Iterator it = arr.iterator();
while(it.hasNext()){ object o =it.next(); ...}

④、Set：典型实现 HashSet()是一个无序，不可重复的集合

1、Set hashSet = new HashSet();

　　①、HashSet:不能保证元素的顺序；不可重复；不是线程安全的；集合元素可以为 NULL;

　　②、HashSet是基于HashMap来实现的，操作很简单，更像是对HashMap做了一次“封装”，而且只使用了HashMap的key来实现各种特性，而HashMap的value始终都是PRESENT。

　　 HashSet不允许重复（HashMap的key不允许重复，如果出现重复就覆盖），允许null值，非线程安全。

默认的实例的默认初始容量是 16，加载因子是 0.75。

注意：每一个存储到哈希表中的对象，都得提供 hashCode() 和 equals() 方法的实现，用来判断是否是同一个对象

　　　对于 HashSet 集合，我们要保证如果两个对象通过 equals() 方法返回 true，这两个对象的 hashCode 值也应该相同。

常见的 hashCode()算法：

2、Set linkedHashSet = new LinkedHashSet();

　　①、不可以重复，有序,线程不安全

　　底层实现使用LinkedHashMap,默认初始容量 16 ,增长因子 0.75

3、Set treeSet = new TreeSet();

　　　基于 TreeMap 的 NavigableSet 实现。使用元素的自然顺序对元素进行排序，或者根据创建 set 时提供的 Comparator进行排序，具体取决于使用的构造方法。

　　* 如果使用 TreeSet() 无参数的构造器创建一个 TreeSet 对象, 则要求放入其中的元素的类必须实现 Comparable 接口所以, 在其中不能放入 null 元素

* 必须放入同样类的对象.(默认会进行排序) 否则可能会发生类型转换异常.我们可以使用泛型来进行限制

Set treeSet = new TreeSet();
        treeSet.add(1);  //添加一个 Integer 类型的数据
        treeSet.add("a");   //添加一个 String 类型的数据
        System.out.println(treeSet);  //会报类型转换异常的错误

* 自动排序：添加自定义对象的时候，必须要实现 Comparable 接口，并要覆盖 compareTo(Object obj) 方法来自定义比较规则

　　　　如果 this > obj,返回正数 1

　　　　如果 this < obj,返回负数 -1

　　　　如果 this = obj,返回 0 ，则认为这两个对象相等

　* 两个对象通过 Comparable 接口 compareTo(Object obj) 方法的返回值来比较大小, 并进行升序排列

* 定制排序: 创建 TreeSet 对象时, 传入 Comparator 接口的实现类. 要求: Comparator 接口的 compare 方法的返回值和两个元素的 equals() 方法具有一致的返回值

public class TreeSetTest {
    public static void main(String[] args) {
        Person p1 = new Person(1);
        Person p2 = new Person(2);
        Person p3 = new Person(3);
         
        Set<Person> set = new TreeSet<>(new Person());
        set.add(p1);
        set.add(p2);
        set.add(p3);
        System.out.println(set);  //结果为[1, 2, 3]
    }
 
}
 
class Person implements Comparator<Person>{
    public int age;
    public Person(){}
    public Person(int age){
        this.age = age;
    }
    @Override
    /***
     * 根据年龄大小进行排序
     */
    public int compare(Person o1, Person o2) {
        // TODO Auto-generated method stub
        if(o1.age > o2.age){
            return 1;
        }else if(o1.age < o2.age){
            return -1;
        }else{
            return 0;
        }
    }
     
    @Override
    public String toString() {
        // TODO Auto-generated method stub
        return ""+this.age;
    }
}

* 当需要把一个对象放入 TreeSet 中，重写该对象对应的 equals() 方法时，应保证该方法与 compareTo(Object obj) 方法有一致的结果

⑤、Map：key-value 的键值对，key 不允许重复，value 可以

　　1、严格来说 Map 并不是一个集合，而是两个集合之间的映射关系。

　　 2、这两个集合没每一条数据通过映射关系，我们可以看成是一条数据。即 Entry(key,value）。Map 可以看成是由多个 Entry 组成。

　　 3、因为 Map 集合即没有实现于 Collection 接口，也没有实现 Iterable 接口，所以不能对 Map 集合进行 for-each 遍历。

HashMap

　　数组方式存储key/value，线程非安全，允许null作为key和value，key不可以重复，value允许重复，不保证元素迭代顺序是按照插入时的顺序，key的hash值是先计算key的hashcode值，然后再进行计算，每次容量扩容会重新计算所以key的hash值，会消耗资源，要求key必须重写equals和hashcode方法

　　默认初始容量16，加载因子0.75，扩容为旧容量乘2，查找元素快，如果key一样则比较value，如果value不一样，则按照链表结构存储value，就是一个key后面有多个value；

方法

1、添加：

　　V put(K key, V value) （可以相同的key值，但是添加的value值会覆盖前面的，返回值是前一个，如果没有就返回null）

　　putAll(Map<? extends K,? extends V> m) 从指定映射中将所有映射关系复制到此映射中（可选操作）。

2、删除

　　remove() 删除关联对象，指定key对象

　　clear() 清空集合对象

3、获取

　　value get(key) 可以用于判断键是否存在的情况。当指定的键不存在的时候，返回的是null。

４、判断：

　　boolean isEmpty() 长度为0返回true否则false

　　boolean containsKey(Object key) 判断集合中是否包含指定的key

　　boolean containsValue(Object value) 判断集合中是否包含指定的value

4、长度：

　Int size（）

　　map的主要的方法就这几个

Hashtable

　　Hashtable与HashMap类似，是HashMap的线程安全版，它支持线程的同步，即任一时刻只有一个线程能写Hashtable，因此也导致了Hashtale在写入时会比较慢，它继承自Dictionary类，不同的是它不允许记录的键或者值为null，同时效率较低。

LinkedHashMap

LinkedHashMap保存了记录的插入顺序，在用Iteraor遍历LinkedHashMap时，先得到的记录肯定是先插入的，在遍历的时候会比HashMap慢，有HashMap的全部特性。

TreeMap

　　基于红黑二叉树的NavigableMap的实现，线程非安全，不允许null，key不可以重复，value允许重复，存入TreeMap的元素应当实现Comparable接口或者实现Comparator接口，会按照排序后的顺序迭代元素，两个相比较的key不得抛出classCastException。主要用于存入元素的时候对元素进行自动排序，迭代输出的时候就按排序顺序输出

遍历方法参考: https://www.gaoyaxuan.net/blog/281.html

Map 的常用实现类：

⑥、Map 和 Set 集合的关系

　　　　1、都有几个类型的集合。HashMap 和 HashSet ，都采哈希表算法；TreeMap 和 TreeSet 都采用红-黑树算法；LinkedHashMap 和 LinkedHashSet 都采用哈希表算法和红-黑树算法。

　　　　2、分析 Set 的底层源码，我们可以看到，Set 集合就是由 Map 集合的 Key 组成。

总结：

Vector和ArrayList

　　1，vector是线程同步的，所以它也是线程安全的，而arraylist是线程异步的，是不安全的。如果不考虑到线程的安全因素，一般用arraylist效率比较高。

　　2，如果集合中的元素的数目大于目前集合数组的长度时，vector增长率为目前数组长度的100%，而arraylist增长率为目前数组长度的50%。如果在集合中使用数据量比较大的数据，用vector有一定的优势。

　　3，如果查找一个指定位置的数据，vector和arraylist使用的时间是相同的，如果频繁的访问数据，这个时候使用vector和arraylist都可以。而如果移动一个指定位置会导致后面的元素都发生移动，这个时候就应该考虑到使用linklist,因为它移动一个指定位置的数据时其它元素不移动。

　　ArrayList 和Vector是采用数组方式存储数据，此数组元素数大于实际存储的数据以便增加和插入元素，都允许直接序号索引元素，但是插入数据要涉及到数组元素移动等内存操作，所以索引数据快，插入数据慢，Vector由于使用了synchronized方法（线程安全）所以性能上比ArrayList要差，LinkedList使用双向链表实现存储，按序号索引数据需要进行向前或向后遍历，但是插入数据时只需要记录本项的前后项即可，所以插入数度较快。

arraylist和linkedlist

　　1.ArrayList是实现了基于动态数组的数据结构，LinkedList基于链表的数据结构。

　　2.对于随机访问get和set，ArrayList觉得优于LinkedList，因为LinkedList要移动指针。

　　3.对于新增和删除操作add和remove，LinedList比较占优势，因为ArrayList要移动数据。这一点要看实际情况的。若只对单条数据插入或删除，ArrayList的速度反而优于LinkedList。但若是批量随机的插入删除数据，LinkedList的速度大大优于ArrayList. 因为ArrayList每插入一条数据，要移动插入点及之后的所有数据。

HashMap与TreeMap

　　1、 HashMap通过hashcode对其内容进行快速查找，而TreeMap中所有的元素都保持着某种固定的顺序，如果你需要得到一个有序的结果你就应该使用TreeMap（HashMap中元素的排列顺序是不固定的）。

　　2、在Map 中插入、删除和定位元素，HashMap是最好的选择。但如果您要按自然顺序或自定义顺序遍历键，那么TreeMap会更好。使用HashMap要求添加的键类明确定义了hashCode()和 equals()的实现。

　　两个map中的元素一样，但顺序不一样，导致hashCode()不一样。

　　同样做测试：
　　　　在HashMap中，同样的值的map,顺序不同，equals时，false;
　　　　而在treeMap中，同样的值的map,顺序不同,equals时，true，说明，treeMap在equals()时是整理了顺序了的。

HashTable与HashMap

　　1、同步性:Hashtable是线程安全的，也就是说是同步的，而HashMap是线程序不安全的，不是同步的。

　　2、HashMap允许存在一个为null的key，多个为null的value 。

　　3、hashtable的key和value都不允许为null。

ArrayList: 数组来实现 ArrayList 集,初试长度为10,扩容为百分之五十,随机访问get和set，ArrayList速度快

LinkedList: 是基于链表的数据结构，它是一个双向链表,新增,删除速度快

HashSet : 是基于HashMap来实现的,初试容量16,增长因子 0.75 ,允许null值

TreeSet : TreeMap 的 NavigableSet 实现,有序,不可重复,线程不安全,不允许放入null

LinkedHashSet: 层实现使用LinkedHashMap,默认初始容量 16 ,增长因子 0.75 ,不可以重复，有序,线程不安全

HashMap: 1.7是数组+链表，1.8则是数组+链表+红黑树结构（当链表长度大于8，转为红黑树）,默认初始容量16，加载因子0.75，扩容为旧容量乘2,线程非安全，允许null作为key和value，key不可以重复，value允许重复，不保证元素迭代顺序是按照插入时的顺序

TreeMap :基于红黑二叉树的NavigableMap的实现，线程非安全，不允许null，key不可以重复，value允许重复

Hashtable: 是HashMap的线程安全版，它支持线程的同步，效率较低

LinkedHashMap: 保存了记录的插入顺序，在用Iteraor遍历LinkedHashMap时，先得到的记录肯定是先插入的，在遍历的时候会比HashMap慢，有HashMap的全部特性。

HashMap之1.7和1.8的区别

HashMap是我们开发中经常使用到的集合，jdk1.8相对于1.7底层实现发生了一些改变。1.8主要优化减少了Hash冲突，提高哈希表的存、取效率。

底层数据结构不一样，1.7是数组+链表，1.8则是数组+链表+红黑树结构（当链表长度大于8，转为红黑树）。
JDK1.8中resize()方法在表为空时，创建表；在表不为空时，扩容；而JDK1.7中resize()方法负责扩容，inflateTable()负责创建表。
1.8中没有区分键为null的情况，而1.7版本中对于键为null的情况调用putForNullKey()方法。但是两个版本中如果键为null，那么调用hash()方法得到的都将是0，所以键为null的元素都始终位于哈希表table【0】中。
当1.8中的桶中元素处于链表的情况，遍历的同时最后如果没有匹配的，直接将节点添加到链表尾部；而1.7在遍历的同时没有添加数据，而是另外调用了addEntry()方法，将节点添加到链表头部。
1.7中新增节点采用头插法，1.8中新增节点采用尾插法。这也是为什么1.8不容易出现环型链表的原因。
1.7中是通过更改hashSeed值修改节点的hash值从而达到rehash时的链表分散，而1.8中键的hash值不会改变，rehash时根据（hash&oldCap）==0将链表分散。
1.8rehash时保证原链表的顺序，而1.7中rehash时有可能改变链表的顺序（头插法导致）。
在扩容的时候：1.7在插入数据之前扩容，而1.8插入数据成功之后扩容。