Java集合（Collection、List、Set、ArrayList、LinkedList及底层原理)_java arraylist linkedlist set

一、集合概述和分类

1.1 集合的分类

Java中的集合主要为两类，如下图所示：一类是单列集合元素是一个一个的，另一类是双列集合元素是一对一对的。

Collection是单列集合的根接口，Collection接口下面又有两个子接口List接口、Set接口，List和Set下面分别有不同的实现类，如下图所示：

上图中各种集合的特点如下图所示：

可以自己写代码验证一下，各种集合的特点

//简单确认一下Collection集合的特点
ArrayList<String> list = new ArrayList<>(); //存取顺序一致，可以重复，有索引
list.add("java1");
list.add("java2");
list.add("java1");
list.add("java2");
System.out.println(list); //[java1, java2, java1, java2] 
​
HashSet<String> list = new HashSet<>(); //存取顺序不一致，不重复，无索引
list.add("java1");
list.add("java2");
list.add("java1");
list.add("java2");
list.add("java3");
System.out.println(list); //[java3, java2, java1] 

1.2 Collection集合的常用方法

因为Collection为跟接口，所以Collection集合常用方法所有Collection实现类都可以使用。 这里我们以创建ArrayList为例，来演示

Collection<String> c = new ArrayList<>();
//1.public boolean add(E e): 添加元素到集合
c.add("java1");
c.add("java1");
c.add("java2");
c.add("java2");
c.add("java3");
System.out.println(c); //打印: [java1, java1, java2, java2, java3]
​
//2.public int size(): 获取集合的大小
System.out.println(c.size()); //5
​
//3.public boolean contains(Object obj): 判断集合中是否包含某个元素
System.out.println(c.contains("java1")); //true
System.out.println(c.contains("Java1")); //false
​
//4.pubilc boolean remove(E e): 删除某个元素，如果有多个重复元素只能删除第一个
System.out.println(c.remove("java1")); //true
System.out.println(c); //打印: [java1,java2, java2, java3]
​
//5.public void clear(): 清空集合的元素
c.clear(); 
System.out.println(c); //打印：[]
​
//6.public boolean isEmpty(): 判断集合是否为空 是空返回true 反之返回false
System.out.println(c.isEmpty()); //true
​
//7.public Object[] toArray(): 把集合转换为数组
Object[] array = c.toArray();
System.out.println(Arrays.toString(array)); //[java1,java2, java2, java3]
​
//8.如果想把集合转换为指定类型的数组，可以使用下面的代码
String[] array1 = c.toArray(new String[c.size()]);
System.out.println(Arrays.toString(array1)); //[java1,java2, java2, java3]
​
//9.还可以把一个集合中的元素，添加到另一个集合中
Collection<String> c1 = new ArrayList<>();
c1.add("java1");
c1.add("java2");
Collection<String> c2 = new ArrayList<>();
c2.add("java3");
c2.add("java4");
c1.addAll(c2); //把c2集合中的全部元素，添加到c1集合中去
System.out.println(c1); //[java1, java2, java3, java4]

Collection集合常用方法如下图所示，ArrayList、LinkedList、HashSet、LinkedHashSet、TreeSet集合都可以调用下面的方法。

二、Collection遍历方式

2.1 迭代器遍历集合

迭代器就是一种集合的通用遍历方式。

代码写法如下：

Collection<String> c = new ArrayList<>();
c.add("赵敏");
c.add("小昭");
c.add("素素");
c.add("灭绝");
System.out.println(c); //[赵敏, 小昭, 素素, 灭绝]
​
//第一步：先获取迭代器对象
//解释：Iterator就是迭代器对象，用于遍历集合的工具)
Iterator<String> it = c.iterator();
​
//第二步：用于判断当前位置是否有元素可以获取
//解释：hasNext()方法返回true，说明有元素可以获取；反之没有
while(it.hasNext()){
    //第三步：获取当前位置的元素，然后自动指向下一个元素.
    String e = it.next();
    System.out.println(s);
}

迭代器代码的原理如下：

• 当调用iterator()方法获取迭代器时，当前指向第一个元素

• hasNext()方法则判断这个位置是否有元素，如果有则返回true，进入循环

• 调用next()方法获取元素，并将当月元素指向下一个位置，

• 等下次循环时，则获取下一个元素，依此内推

使用迭代器遍历集合用到的方法

2.2 增强for遍历集合

迭代器遍历集合，其实还有一种更加简化的写法，叫做增强for循环。

格式如下：

需要注意的是，增强for不光可以遍历集合，还可以遍历数组。接下来我们用代码演示一emo下：

Collection<String> c = new ArrayList<>();
c.add("赵敏");
c.add("小昭");
c.add("素素");
c.add("灭绝");
​
//1.使用增强for遍历集合
for(String s: c){
    System.out.println(s); 
}
​
//2.再尝试使用增强for遍历数组
String[] arr = {"迪丽热巴", "古力娜扎", "稀奇哈哈"};
for(String name: arr){
    System.out.println(name);
}

2.3 forEach遍历集合

在JDK8版本以后还提供了一个forEach方法也可以遍历集合，如果下图所示：

由上图可知forEach方法的参数是一个Consumer接口，而Consumer是一个函数式接口，所以可以传递Lambda表达式

Collection<String> c = new ArrayList<>();
c.add("赵敏");
c.add("小昭");
c.add("素素");
c.add("灭绝");
​
//调用forEach方法
//由于参数是一个Consumer接口，所以可以传递匿名内部类
c.forEach(new Consumer<String>{
    @Override
    public void accept(String s){
        System.out.println(s);
    }
});
​
​
//也可以使用lambda表达式对匿名内部类进行简化
c.forEach(s->System.out.println(s)); //[赵敏, 小昭, 素素, 灭绝]

2.4 遍历集合案例

接下来，我们看一个案例，在集合中存储自定义的对象，并遍历。具体要求如下

首先，需要写一个电影类，用来描述每一步电影应该有哪些信息。

public class Movie{
    private String name; //电影名称
    private double score; //评分
    private String actor; //演员
    //无参数构造方法
    public Movie(){}
    //全参数构造方法
    public Movie(String name, double score, String actor){
        this.name=name;
        this.score=score;
        this.actor=actor;
    }
    //...get、set、toString()方法自己补上..
}

接着，再创建一个测试类，完成上面的需求

public class Test{
    public static void main(String[] args){
        Collection<Movie> movies = new ArrayList<>();
        movies.add(new MOvie("《肖申克的救赎》", 9.7, "罗宾斯"));
        movies.add(new MOvie("《霸王别姬》", 9.6, "张国荣、张丰毅"));
        movies.add(new MOvie("《阿甘正传》", 9.5, "汤姆汉克斯"));
        
        for(Movie movie : movies){
            System.out.println("电影名：" + movie.getName());
            System.out.println("评分：" + movie.getScore());
            System.out.println("主演：" + movie.getActor());
        }
    }
}

以上代码的内存原理如下图所示：当往集合中存对象时，实际上存储的是对象的地址值

三、List系列集合

List集合是Collection下面的一个子体系。如下图所示：

3.1 List集合的常用方法

List集合是索引的，所以多了一些有索引操作的方法，如下图所示：

接下来，用代码演示一下这几个方法的效果

//1.创建一个ArrayList集合对象（有序、有索引、可以重复）
List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("蜘蛛精");
list.add("至尊宝");
list.add("至尊宝");
list.add("牛夫人"); 
System.out.println(list); //[蜘蛛精, 至尊宝, 至尊宝, 牛夫人]
​
//2.public void add(int index, E element): 在某个索引位置插入元素
list.add(2, "紫霞仙子");
System.out.println(list); //[蜘蛛精, 至尊宝, 紫霞仙子, 至尊宝, 牛夫人]
​
//3.public E remove(int index): 根据索引删除元素, 返回被删除的元素
System.out.println(list.remove(2)); //紫霞仙子
System.out.println(list);//[蜘蛛精, 至尊宝, 至尊宝, 牛夫人]
​
//4.public E get(int index): 返回集合中指定位置的元素
System.out.println(list.get(3));
​
//5.public E set(int index, E e): 修改索引位置处的元素，修改后，会返回原数据
System.out.println(list.set(3,"牛魔王")); //牛夫人
System.out.println(list); //[蜘蛛精, 至尊宝, 至尊宝, 牛魔王]

3.2 List集合的遍历方式

List集合相比于前面的Collection多了一种可以通过索引遍历的方式，所以List集合遍历方式一共有四种：

• 普通for循环（只因为List有索引）

• 迭代器

• 增强for

• Lambda表达式

List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("蜘蛛精");
list.add("至尊宝");
list.add("糖宝宝");
​
//1.普通for循环
for(int i = 0; i< list.size(); i++){
    //i = 0, 1, 2
    String e = list.get(i);
    System.out.println(e);
}
​
//2.增强for遍历
for(String s : list){
    System.out.println(s);
}
​
//3.迭代器遍历
Iterator<String> it = list.iterator();
while(it.hasNext()){
    String s = it.next();
    System.out.println(s);
}
​
//4.lambda表达式遍历
list.forEach(s->System.out.println(s));

3.3 ArrayList底层的原理

ArrayList集合底层是基于数组结构实现的，也就是说当你往集合容器中存储元素时，底层本质上是往数组中存储元素。 特点如下：

可是数组的长度是固定的，但集合的长度却是可变的，这是怎么做到的呢？原理如下：

数组扩容，并不是在原数组上扩容（原数组是不可以扩容的），底层是创建一个新数组，然后把原数组中的元素全部复制到新数组中去。

3.4 LinkedList底层原理

LinkedList底层是链表结构，链表结构是由一个一个的节点组成，一个节点由数据值、下一个元素的地址组成。如下图所示

假如，现在要在B节点和D节点中间插入一个元素，只需要把B节点指向D节点的地址断掉，重新指向新的节点地址就可以了。如下图所示：

假如，现在想要把D节点删除，只需要让C节点指向E节点的地址，然后把D节点指向E节点的地址断掉。此时D节点就会变成垃圾，会把垃圾回收器清理掉。

上面的链表是单向链表，它的方向是从头节点指向尾节点的，只能从左往右查找元素，这样查询效率比较慢；还有一种链表叫做双向链表，不光可以从做往右找，还可以从右往左找。如下图所示：

LinkedList集合是基于双向链表实现了，所以相对于ArrayList新增了一些可以针对头尾进行操作的方法，如下图示所示：

3.5 LinkedList集合的应用场景

LInkedList集合有什么用呢？可以用它来设计栈结构、队列结构。

• 先来认识一下队列结构，队列结构你可以认为是一个上端开口，下端也开口的管子的形状。元素从上端入队列，从下端出队列。

入队列可以调用LinkedList集合的addLast方法，出队列可以调用removeFirst()方法.

//1.创建一个队列：先进先出、后进后出
LinkedList<String> queue = new LinkedList<>();
//入对列
queue.addLast("第1号人");
queue.addLast("第2号人");
queue.addLast("第3号人");
queue.addLast("第4号人");
System.out.println(queue);
​
//出队列
System.out.println(queue.removeFirst());    //第4号人
System.out.println(queue.removeFirst());    //第3号人
System.out.println(queue.removeFirst());    //第2号人
System.out.println(queue.removeFirst());    //第1号人

• 接下来，再用LinkedList集合来模拟一下栈结构的效果。还是先来认识一下栈结构长什么样。栈结构可以看做是一个上端开头，下端闭口的水杯的形状。

  元素永远是上端进，也从上端出，先进入的元素会压在最底下，所以栈结构的特点是先进后出，后进先出

有没有感觉栈结构很像，手枪的子弹夹呀！！第一个压进入的子弹在最底下，最后一个才能打出来，最后一个压进入的子弹在最顶上，第一个打出来。

接着，就用LinkedList来模拟下栈结构，代码如下：

//1.创建一个栈对象
LinkedList<String> stack = new ArrayList<>();
//压栈(push) 等价于 addFirst()
stack.push("第1颗子弹");
stack.push("第2颗子弹");
stack.push("第3颗子弹");
stack.push("第4颗子弹");
System.out.println(stack); //[第4颗子弹, 第3颗子弹, 第2颗子弹,第1颗子弹]
​
//弹栈(pop) 等价于 removeFirst()
System.out.println(statck.pop()); //第4颗子弹
System.out.println(statck.pop()); //第3颗子弹
System.out.println(statck.pop()); //第2颗子弹
System.out.println(statck.pop()); //第1颗子弹
​
//弹栈完了，集合中就没有元素了
System.out.println(list); //[]