9. Java集合

1. Java集合框架概述

1.1 集合和数组

Java中对多个对象进行存储时，若使用Array则有很多弊端，而Java集合可以动态地把多个对象的引用放入容器中。
使用数组存储对象的弊端：① 一旦创建，长度不可变；② 数组中存放的对象个数不可知，需要自行设变量记录所存储对象的个数；③数组中提供的方法非常有限，对添加、删除、插入等操作非常不便，效率不高。

1.2 集合的分类
Java集合可分为Collection和Map两种体系，集合中存储基本数据类型时为包装类。

Collection接口：单列数据，定义了存储一组对象的方法的集合。有List和Set等多种子接口。
- List接口：元素有序、可重复的集合。（又称作动态数组）
- Set接口：元素无序、不可重复的集合。
Map接口：双列数据，保存具有映射关系的“key-value对”集合。

在这里插入图片描述

2. Collection接口方法

add(Object e)：添加元素e到集合中（对基本数据而言，e为包装类）
size()：获取集合中元素的个数
addAll(Collection c)：将集合c中所有元素添加到当前集合中
isEmpty()：判断当前集合是否为空
clear()：清空集合元素
contains(Object e)：判断当前集合中是否包含e，通过equals()方法进行判断
containsAll(Collection c)：判断集合c中的所有元素是否都在当前集合中
remove(Object e)：删除集合中的元素e，返回boolean类型
removeAll(Collection c)：从当前集合中移除集合c中的所有元素（两集合求差）
retainAll(Collection c)：两集合求交，返回当前集合
equals(Collection c)：判断两集合是否相同
hashCode()：返回当前集合的哈希值
toArray()：将集合转化为数组
Arrays.asList(Array a)：将数组a转为List
iterator()：返回一个Iterator接口的实例，用于遍历集合元素

3. Iterator迭代器接口

使用Iterator接口实现集合元素的遍历，Iterator对象成为迭代器，是设计模式中的一种。
迭代器模式提供一种方法访问一个容器对象中各个元素，而又不暴露该对象的内部细节。（类似于公交车售票员）
Collection接口继承了java.lang.Iterator接口，该接口有一个iterator()方法。
Iterator仅用于遍历集合，Iterator本身并没有承装对象的能力。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，默认游标在集合的第一个元素之前。

Iterator<Object> iterator = list.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
    
    
    System.out.println(iterator.next());
}

hasNext()方法判断指针下一处是否有元素
next()方法将指针下移一位
remove()方法删除集合中指针所指的元素（这是迭代器对象的remove方法，与集合中的remove方法不同）

foreach循环遍历集合或数组
Java 5.0提供了foreach循环（增强for循环）访问Collection和数组，内部使用Iterator循环。

for (Object e:list) {
    
    
    System.out.println(e);
}

4. Collection子接口一：List

4.1 List的常用实现类

鉴于Java中数组存储数据的局限性，常用List替代数组
List接口的常用实现类有：ArrayList、LinkedList、Vector
ArrayList：作为List接口的主要实现类，线程不安全，效率高。底层使用Object[]数组存储，jdk7中，空参构造器初始化容量为10的数组，当数组容量不够时扩容为原来的1.5倍，建议使用带参构造器；jdk8中，空参构造器初始化不创建数组，当添加元素时才创建长度为10的数组，其他操作与jdk7相同。
LinkedList：底层使用双向链表存储。对频繁的插入、删除操作效率高。内部声明了Node类型的first和last属性，默认值为null，添加元素时新建Node对象。
Vector：为List的古老实现类，与ArrayList几乎相同，线程安全，效率低，已弃用。

4.2 List接口中的常用方法（比Collection接口新增）

void add(int index, Object e)：在index位置插入元素e
boolean addAll(int index, Collection c)：从index位置开始将集合c中所有元素添加进来
Object get(int index)：获取index位置的元素
int indexOf(Object e)：返回元素e在集合中首次出现的位置
int lastIndexOf(Object e)：返回元素e在集合中最后出现的位置
Object remove(int index)：移除index位置的元素，并返回该元素（与Collection中的remove方法构成重载）
Object set(int index, Object e)：设置index位置的元素为e
List subList(int fromIndex, int toIndex)：返回从fromIndex到toIndex位置左闭右开的子集合

5. Collection子接口二：Set

Set接口没有提供额外的方法，Set集合不允许包含相同的元素，判断两个对象是否相同根据equals()方法。Set的无序性不等于随机性，遍历的时候也会按特定顺序。HashSet底层也是用数组存储数据，存储数据时并非按数组索引的顺序添加，而是根据数据的Hash值决定的。

5.1 HashSet

HashSet是Set接口的典型实现，按Hash算法来存储集合中的元素，有很好的存取、查找、删除性能。
HashSet的特点有：① 不能保证元素的排列顺序；② 线程不安全；③ 集合元素可以是null
HashSet判断两个元素相等的标准：两个对象通过hashCode()方法比较相等，且两个对象的equals()方法返回值也相等。
存放在HashSet容器中的对象，对应的类一定要重写equals()和hashCode(Object e)方法，且这两个方法尽可能保持一致性。
HashSet底层有数组+链表的结构。向HashSet中添加元素a时，首先调用a所在类的hashCode()方法，计算a的哈希值，此哈希值通过某种算法计算出在HashSet底层数组中的存放位置，判断该位置上是否已有元素。

若没有其他元素，则a添加成功；

若有其他元素b（或有以链表存储的多个元素b、c、…），则比较a与b的哈希值，若哈希值不相同，则a添加到该位置的链表末尾；

若哈希值不同，则调用a所在类的equals()方法，若返回true，则a添加失败；

若返回false，则a添加到该位置的链表末尾

5.2 LinkedHashSet

LinkedHashSet是HashSet的子类，根据元素的hashCode值来决定元素的存储位置，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插入顺序保存的，遍历时按照添加的顺序遍历。
LinkedHashSet插入性能略低于HashSet，但在迭代访问元素时有很好的性能。

5.3 TreeSet

TreeSet是SortedSet接口的实现类，TreeSet可以确保集合元素处于排序状态。
TreeSet底层使用红黑树结构存储数据。
TreeSet有两种排序方法：自然排序（Comparable）&定制排序（Comparator）。默认情况下使用自然排序。

TreeSet set = new TreeSet(com)；
空参构造器创建的对象为自然排序，带参构造器传入一个Comparator对象为定制排序

向TreeSet中添加的数据，要求是相同类的对象，且该类的对象能够比较大小，不再用equals()方法比较是否相等，自然排序中使用compareTo()方法比较大小，定制排序使用compare()方法比较大小。

6. Map接口

4.1 Map的主要实现类

HashMap：Map的主要实现类，线程不安全，效率高，可以存储null的key和value
Hashtable：Map的古老实现类，线程安全，效率低，不能存储null的key和value
LinkedHashMap：在原有的HashMap底层结构基础上，添加了一对指针，指向前一个和后一个元素。保证在遍历Map元素时，可以按添加的顺序实现遍历
TreeMap：可以按照添加的key进行排序，实现排序遍历。底层使用红黑树
Properties：常用来处理配置文件。key和value都是String类型

4.2 Map的key-value结构

Map中的key：无序的、不可重复的，使用Set存储所有的key。要求key所在的类重写equals()和hashCode()方法（TreeMap要实现Comparable接口）
Map中的value：无序的、可重复的，使用Collection存储所有的value。要求value所在的类重写equals()方法
一个key-value对构成了一个Entry对象，Map中的entry：无序的、不可重复的，使用Set存储所有的entry

4.3 HashMap的底层实现原理

jdk7中HashMap底层使用数组+链表结构存储，jdk8中HashMap底层使用数组+链表+红黑树结构存储
在实例化后，jdk7底层创建了长度为16的一维Entry数组，默认临界因子0.75，
向HashMap中添加元素key0-value0时，计算key0的哈希值，得到在Entry数组中的存放位置
如果Entry数组存放位置上的数据为空，则key0-value0添加成功
如果Entry数组存放位置上的数据不为空，则比较key0与已存在数据key的哈希值，若都不相同，则key0-value0添加成功
若key0与某个数据key1的哈希值相同，继续比较key0与key1的equals()方法，若返回false，则key0-value0添加成功，以链表的方式存储；若返回true，则使用value0替换value1
在添加数据过程中，当min(Entry数组长度 - 1, 临界因子*Entry数组长度)<=数组中元素个数，且数组Entry当前位置存在元素时，若需要Entry数组扩容，则将长度扩展为之前的2倍，并将原有数据复制过来
jdk8中实例化时并不创建数组，首次添加数据时才创建长度为16的Node数组，当数组某一个索引位置上的元素以链表形式存储的数据个数大于8，且当前Node数组长度大于64（否则扩容Node数组），则此时该索引位置上的所有数据改用红黑树存储

4.4 Map中的常用方法

Object put(Object key, Object value)：添加，返回被覆盖的value
void putAll(Map m)：全部添加
Object remove(Object key)：移除指定的键值对，返回value
void clear()：清空当前map中的所有数据
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中键值对的个数
boolean isEmpty()：判断当前map是否为空
boolean equals(Object e)：判断当前map与e是否相等
Set keySet()：返回所有key构成的Set集合，用于遍历所有的key
Collection values()：返回所有value构成的Collection集合，用于遍历所有的value
Set entrySet()：返回所有键值对构成的Set集合，用于遍历所有的键值对

Set entrySet = map.entrySet();
Iterator iterator = entrySet.iterator();
while(iterator.hasNext()){
    
    
	Object e = iterator.next();
	Map.Entry entry = (Map.Entry) e;
	System.out.println(entry.getKey() + ":" + entry.getValue());
}

4.5 Properties
存取数据时，建议使用setProperty(String key, String value)方法和getProperty(String key)方法

Properties properties = new Properties();
FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("jdbc.properties");
properties.load(fileInputStream);
String name = properties.getProperty("name");
String password = properties.getProperty("password");
System.out.println(name + ":" + password);

7. Collections工具类

Collections是一个操作Collection、Map的工具类，提供了一系列静态的方法对集合元素进行排序、查询、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。

7.1 排序操作（均为static方法）

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Comparator指定的顺序对List元素排序
swap(List, int, int)：将LIst中的i处元素和j处元素进行交换

7.2 查找、替换

Object max(Collection)
Object max(Collection, Comparator)
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，要求dest中现有元素个数不少于src中的元素个数
boolean replaceAll(LIst list, Object oldVal, Object newVal)：使用新值替换List对象的所有旧值

7.3 同步控制
Collections类中提供了多个synchronizedXxx()方法，该方法可将指定集合包装成线程同步的集合，从而解决多线程并发访问集合时的线程安全问题。