JAVA基础——集合知识点整理_java集合基础知识

一、集合概述

1.1集合概念

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）

1.2 数组在存储多个数据方面的特点：

一旦初始化以后，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。我们也就只能操作指定类型的数据了。

1.3 数组在存储多个数据方面的缺点：

一旦初始化以后，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，非常不便，同时效率不高。

获取数组中实际元素的个数的需求，数组没有现成的属性或方法可用

数组存储数据的特点：有序、可重复。对于无序、不可重复的需求，不能满足。

1.4 集合框架

      |----Collection接口：单列集合，用来存储一个一个的对象
          |----List接口：存储有序的、可重复的数据。  -->“动态”数组
              |----ArrayList、LinkedList、Vector

          |----Set接口：存储无序的、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

2.1 Collection接口继承树

2.2 Collection接口方法

add(Object e):将元素e添加到集合coll中。

size():获取添加的元素的个数。

addAll(Collection coll1):将coll1集合中的元素添加到当前的集合中。

clear():清空集合元素。

isEmpty():判断当前集合是否为空。

contains(Object obj):判断当前集合中是否包含obj。

containsAll(Collection coll1):判断形参coll1中的所有元素是否都存在于当前集合中。

remove(Object obj):从当前集合中移除obj元素。

removeAll(Collection coll1):差集：从当前集合中移除coll1中所有的元素。

retainAll(Collection coll1):交集：获取当前集合和coll1集合的交集，并返回给当前集合

equals(Object obj):要想返回true，需要当前集合和形参集合的元素都相同。

hashCode():返回当前对象的哈希值。

toArray():集合 --->数组。

iterator():返回Iterator接口的实例，用于遍历集合元素。

集合元素的遍历操作，使用迭代器Iterator接口
1.内部的方法：hasNext() 和  next()

2.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。

3.内部定义了remove(),可以在遍历的时候，删除集合中的元素。此方法不同于集合直接调用remove()。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。

//hasNext():判断是否还有下一个元素
while(iterator.hasNext()){
    //next():①指针下移 ②将下移以后集合位置上的元素返回
    System.out.println(iterator.next());
}

错误示范：

1.  Iterator iterator = coll.iterator();
        while((iterator.next()) != null){
           System.out.println(iterator.next());
        }

2.  while (coll.iterator().hasNext()){
    System.out.println(coll.iterator().next());
}

2.3. List接口

 |----Collection接口：单列集合，用来存储一个一个的对象
          |----List接口：存储有序的、可重复的数据。  -->“动态”数组,替换原有的数组
              |----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：对于频繁的插入、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

2.3.1ArrayList源码分析

jdk 7情况下
      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(11);//如果此次的添加导致底层elementData数组容量不够，则扩容。

默认情况下，扩容为原来的容量的1.5倍，同时需要将原有数组中的数据复制到新的数组中。

   结论：建议开发中使用带参的构造器：ArrayList list = new ArrayList(int capacity)
jdk 8情况下：

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);//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]
   后续的添加和扩容操作与jdk 7 无异。  

小结：

jdk7中的ArrayList的对象的创建类似于单例的饿汉式，而jdk8中的ArrayList的对象的创建类似于单例的懒汉式，延迟了数组的创建，节省内存。

2.3.2LinkedList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定义为：体现了LinkedList的双向链表的说法

private static class Node<E> {

            E item;
            Node<E> next;
            Node<E> prev;

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

2.3.3Vector的源码分析：

Vector的源码分析：jdk7和jdk8中通过Vector()构造器创建对象时，底层都创建了长度为10的数组。

在扩容方面，默认扩容为原来的数组长度的2倍。

2.3.3List提供的方法

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
Object get(int index):获取指定index位置的元素
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
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
List subList(int fromIndex, int toIndex):返回从fromIndex到toIndex位置的子集合

2.3.4总结：常用方法

总结：常用方法
增：add(Object obj)
删：remove(int index) / remove(Object obj)
改：set(int index, Object ele)
查：get(int index)
插：add(int index, Object ele)
长度：size()
遍历：① Iterator迭代器方式
     ② 增强for循环
     ③ 普通的循环

2.4. Set接口

|----Collection接口：单列集合，用来存储一个一个的对象
          |----Set接口：存储无序的、不可重复的数据   -->高中讲的“集合”
              |----HashSet：作为Set接口的主要实现类；线程不安全的；可以存储null值
                  |----LinkedHashSet：作为HashSet的子类；遍历其内部数据时，可以按照添加的顺序遍历
               对于频繁的遍历操作，LinkedHashSet效率高于HashSet.
              |----TreeSet：可以按照添加对象的指定属性，进行排序。

2.4.1 Set：存储无序的、不可重复的数据
以HashSet为例说明：

1. 无序性：不等于随机性。存储的数据在底层数组中并非按照数组索引的顺序添加，而是根据数据的哈希值决定的。

2. 不可重复性：保证添加的元素按照equals()判断时，不能返回true.即：相同的元素只能添加一个。

2.4.2 添加元素的过程：以HashSet为例：
    我们向HashSet中添加元素a,首先调用元素a所在类的hashCode()方法，计算元素a的哈希值，此哈希值接着通过某种算法计算出在HashSet底层数组中的存放位置（即为：索引位置），判断数组此位置上是否已经有元素：
        如果此位置上没有其他元素，则元素a添加成功。 --->情况1
        如果此位置上有其他元素b(或以链表形式存在的多个元素），则比较元素a与元素b的hash值：
            如果hash值不相同，则元素a添加成功。--->情况2
            如果hash值相同，进而需要调用元素a所在类的equals()方法：
                   equals()返回true,元素a添加失败
                   equals()返回false,则元素a添加成功。--->情况2

    对于添加成功的情况2和情况3而言：元素a 与已经存在指定索引位置上数据以链表的方式存储。
    jdk 7 :元素a放到数组中，指向原来的元素。
    jdk 8 :原来的元素在数组中，指向元素a
    总结：七上八下

    HashSet底层：数组+链表的结构。

附：equals和hashCode()方法的重写：

当一个类有自己特有的“逻辑相等”概念,当改写equals()的时候，总是要改写hashCode()，根据一个类的equals方法（改写后），两个截然不同的实例有可能在逻辑上是相等的，但是，根据Object.hashCode()方法，它们仅仅是两个对象。

因此，违反了“相等的对象必须具有相等的散列码”。

结论：复写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。

equals()源码：

public boolean equals(Object obj) {
    return (this == obj);
}

重写equals()方法：

public boolean equals(Object o) {
    if (this == o) return true;
    if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false;
    User user = (User) o;
    if (age != user.age) return false;
    return name != null ? name.equals(user.name) : user.name == null;
}

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。

重写hashCode()方法：

public int hashCode() { //return name.hashCode() + age;

int result = name != null ? name.hashCode() : 0;

result = 31 * result + age;

return result;

}

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）。

并且31只占用5bits,相乘造成数据溢出的概率较小。

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）

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)

2.4.3 LinkedHashset()

LinkedHashSet作为HashSet的子类，在添加数据的同时，每个数据还维护了两个引用，记录此数据前一个数据和后一个数据。

优点：对于频繁的遍历操作，LinkedHashSet效率高于HashSet

2.4.4TreeSet()

1.向TreeSet中添加的数据，要求是相同类的对象。

2.两种排序方式：自然排序（实现Comparable接口） 和 定制排序（Comparator）

3.自然排序中，比较两个对象是否相同的标准为：compareTo()返回0.不再是equals().

4.定制排序中，比较两个对象是否相同的标准为：compare()返回0.不再是equals().

三、Map接口

3.1 Map接口继承树

3.2 Map结构的理解：

Map中的key:无序的、不可重复的，使用Set存储所有的key  ---> key所在的类要重写equals()和hashCode() （以HashMap为例）

Map中的value:无序的、可重复的，使用Collection存储所有的value --->value所在的类要重写equals()

一个键值对：key-value构成了一个Entry对象。

Map中的entry:无序的、不可重复的，使用Set存储所有的entry

3.3 HashMap的底层实现原理

以jdk7为例说明：

HashMap map = new HashMap():

在实例化以后，底层创建了长度是16的一维数组Entry[] table。

...可能已经执行过多次put..

map.put(key1,value1):

首先，调用key1所在类的hashCode()计算key1哈希值，此哈希值经过某种算法计算以后，得到在Entry数组中的存放位置。

如果此位置上的数据为空，此时的key1-value1添加成功。 ----情况1

如果此位置上的数据不为空，(意味着此位置上存在一个或多个数据(以链表形式存在)),比较key1和已经存在的一个或多个数据

的哈希值：

如果key1的哈希值与已经存在的数据的哈希值都不相同，此时key1-value1添加成功。----情况2

如果key1的哈希值和已经存在的某一个数据(key2-value2)的哈希值相同，继续比较：调用key1所在类的equals(key2)方法，比较：

如果equals()返回false:此时key1-value1添加成功。----情况3

如果equals()返回true:使用value1替换value2。

补充：关于情况2和情况3：此时key1-value1和原来的数据以链表的方式存储。在不断的添加过程中，会涉及到扩容问题，当超出临认的扩容方式：扩容为原来容量的2倍，并将原有的数据界值(且要存放的位置非空)时，扩容。默复制过来。

jdk8 相较于jdk7在底层实现方面的不同：
1. new HashMap():底层没有创建一个长度为16的数组
2. jdk 8底层的数组是：Node[],而非Entry[]
3. 首次调用put()方法时，底层创建长度为16的数组
4. jdk7底层结构只有：数组+链表。jdk8中底层结构：数组+链表+红黑树。
4.1 形成链表时，七上八下（jdk7:新的元素指向旧的元素。jdk8：旧的元素指向新的元素）
4.2 当数组的某一个索引位置上的元素以链表形式存在的数据个数 > 8 且当前数组的长度 > 64时，此时此索引位置上的所数据改为使用红黑树存储。

DEFAULT_INITIAL_CAPACITY : HashMap的默认容量，16
DEFAULT_LOAD_FACTOR：HashMap的默认加载因子：0.75
threshold：扩容的临界值，=容量*填充因子：16 * 0.75 => 12
TREEIFY_THRESHOLD：Bucket中链表长度大于该默认值，转化为红黑树:8
MIN_TREEIFY_CAPACITY：桶中的Node被树化时最小的hash表容量:64

3.4 Map中定义的方法：

添加、删除、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

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

总结：常用方法：添加：put(Object key,Object value)

删除：remove(Object key)

修改：put(Object key,Object value)

查询：get(Object key)长度：size()

遍历：keySet() / values() / entrySet()

四、Collections工具类

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

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)
Object min(Collection，Comparator)
int frequency(Collection，Object)：返回指定集合中指定元素的出现次数
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