自学Java之day14_数据结构、List接口及常用实现类、Set及常用实现类、Collections类

数据结构

数据结构有什么用？

当你用着java里面的容器类很爽的时候，你有没有想过，怎么ArrayList就像一个无限扩充的数组，也好像链表之类的。好用吗？好用，这就是数据结构的用处，只不过你在不知不觉中使用了。现实世界的存储，我们使用的工具和建模。每种数据结构有自己的优点和缺点，想想如果Google的数据用的是数组的存储，我们还能方便地查询到所需要的数据吗？而算法，在这么多的数据中如何做到最快的插入，查找，删除，也是在追求更快。我们java是面向对象的语言，就好似自动档轿车，C语言好似手动档吉普。数据结构呢？是变速箱的工作原理。完全可以不知道变速箱怎样工作，就把自动档的车子从 A点 开到 B点，而且未必就比懂得的人慢。写程序这件事，和开车一样，经验可以起到很大作用，但如果你不知道底层是怎么工作的，就永远只能开车，既不会修车，也不能造车。当然了，数据结构内容比较多，细细的学起来也是相对费功夫的，不可能达到一蹴而就。我们将常见的数据结构：堆栈、队列、数组、链表和红黑树 这几种给大家介绍一下，作为数据结构的入门，了解一下它们的特点即可。总结：数据结果是是底层驱动，决定了上层的特性。

常见的数据结构

数据存储的常用结构有：栈、队列、数组、链表和红黑树。我们分别来了解一下：

栈

栈：stack,又称堆栈，它是运算受限的线性表，其限制是仅允许在标的一端进行插入和删除操作，不允许在其他任何位置进行添加、查找、删除等操作。

简单的说：采用该结构的集合，对元素的存取有如下的特点

• 先进后出（即，存进去的元素，要在后它后面的元素依次取出后，才能取出该元素）
• 栈的入口、出口的都是栈的顶端位置

这里两个名词需要注意：

• 压栈：就是存元素。即，把元素存储到栈的顶端位置，栈中已有元素依次向栈底方向移动一个位置。
• 弹栈：就是取元素。即，把栈的顶端位置元素取出，栈中已有元素依次向栈顶方向移动一个位置。

队列

队列：queue,简称队，它同堆栈一样，也是一种运算受限的线性表，其限制是仅允许在表的一端进行插入，而在表的另一端进行删除。

简单的说，采用该结构的集合，对元素的存取有如下的特点：

• 先进先出（即，存进去的元素，要在后它前面的元素依次取出后，才能取出该元素）。
• 队列的入口、出口各占一侧。

数组

数组:Array,是有序的元素序列，数组是在内存中开辟一段连续的空间，并在此空间存放元素。

简单的说,采用该结构的集合，对元素的存取有如下的特点：

• 查找元素快：通过索引，可以快速访问指定位置的元素
• 增删元素慢：

　　　　　　指定索引位置增加元素：需要创建一个新数组，将指定新元素存储在指定索引位置，再把原数组元素根据索引，复制到新数组对应索引的位置。

　　　　　　指定索引位置删除元素：需要创建一个新数组，把原数组元素根据索引，复制到新数组对应索引的位置，原数组中指定索引位置元素不复制到新数组中。

链表

链表:linked list,由一系列结点node（链表中每一个元素称为结点）组成，结点可以在运行时i动态生成。每个结点包括两个部分：一个是存储数据元素的数据域，另一个是存储下一个结点地址的指针域。我们常说的链表结构有单向链表与双向链表。

简单的说，采用该结构（单向链表）的集合，对元素的存取有如下的特点：

• 查找元素慢：想查找某个元素，需要通过连接的节点，依次向后查找指定元素
• 增删元素快：只需要修改连接下个元素的地址即可。

红黑树

二叉树：binary tree ,是每个结点不超过2的有序树（tree） 。简单的理解，就是一种类似于我们生活中树的结构，只不过每个结点上都最多只能有两个子结点。二叉树是每个节点最多有两个子树的树结构。顶上的叫根结点，两边被称作“左子树”和“右子树”。我们要说的是二叉树的一种比较有意思的叫做红黑树，红黑树本身就是一颗二叉查找树，将节点插入后，该树仍然是一颗二叉查找树。也就意味着，树的键值仍然是有序。

红黑树的特点:

• 速度特别快,趋近平衡树,查找叶子元素最少和最多次数不多于二倍

List集合

List接口介绍

java.util.List 接口继承自 Collection 接口，是单列集合的一个重要分支，习惯性地会将实现了 List 接口的对象称为List集合。在List集合中允许出现重复的元素，所有的元素是以一种线性方式进行存储的，在程序中可以通过索引来访问集合中的指定元素。另外，List集合还有一个特点就是元素有序，即元素的存入顺序和取出顺序一致。

总结List接口特点：

• 它是一个元素存取有序的集合。例如，存元素的顺序是11、22、33。那么集合中，元素的存储就是按照11、22、33的顺序完成的）。
• 它是一个带有索引的集合，通过索引就可以精确的操作集合中的元素（与数组的索引是一个道理）。
• 集合中可以有重复的元素，通过元素的equals方法，来比较是否为重复的元素

List接口中常用方法

List作为Collection集合的子接口，不但继承了Collection接口中的全部方法，而且还增加了一些根据元素索引来操作集合的特有方法，如下：

• public void add(int index, E element) : 将指定的元素，添加到该集合中的指定位置上。
• public E get(int index) :返回集合中指定位置的元素。
• public E remove(int index) : 移除列表中指定位置的元素, 返回的是被移除的元素。
• public E set(int index, E element) :用指定元素替换集合中指定位置的元素,返回值的更新前的元素。

注意:

操作索引的时候,一定要防止索引越界异常

• IndexOutOfBoundsException:索引越界异常,集合会报
• ArrayIndexOutOfBoundsException:数组索引越界异常
• StringIndexOutOfBoundsException:字符串索引越界异常

代码演示方法

package demo01.List;

import java.util.ArrayList;
import java.util.Iterator;
import java.util.List;

/*
    java.util.List接口 extends Collection接口
    List接口的特点:
        1.有序的集合,存储元素和取出元素的顺序是一致的(存储123 取出123)
        2.有索引,包含了一些带索引的方法
        3.允许存储重复的元素

    List接口中带索引的方法(特有)
        - public void add(int index, E element): 将指定的元素，添加到该集合中的指定位置上。
        - public E get(int index):返回集合中指定位置的元素。
        - public E remove(int index): 移除列表中指定位置的元素, 返回的是被移除的元素。
        - public E set(int index, E element):用指定元素替换集合中指定位置的元素,返回值的更新前的元素。
    注意:
        操作索引的时候,一定要防止索引越界异常
        IndexOutOfBoundsException:索引越界异常,集合会报
        ArrayIndexOutOfBoundsException:数组索引越界异常
        StringIndexOutOfBoundsException:字符串索引越界异常
 */
public class Demo01List {
    public static void main(String[] args) {
        //创建一个List集合对象,多态
        List<String> list = new ArrayList<>();
        //使用add方法往集合中添加元素
        list.add("a");
        list.add("b");
        list.add("c");
        list.add("d");
        list.add("a");
        //打印集合名称,不是地址重写了toString
        System.out.println(list);//[a, b, c, d, a]

        //public void add(int index, E element): 将指定的元素，添加到该集合中的指定位置上。
        //在c和d之间添加一个中国
        list.add(3, "中国");
        System.out.println(list);//[a, b, c, 中国, d, a]

        //public E remove(int index): 移除列表中指定位置的元素, 返回的是被移除的元素。
        //移除元素
        String removeE = list.remove(2);
        System.out.println("被移除的元素:" + removeE);//被移除的元素:c
        //打印集合名称
        System.out.println(list);//[a, b, 中国, d, a]

        //public E set(int index, E element):用指定元素替换集合中指定位置的元素,返回值的更新前的元素。
        //把最后一个a,替换为A
        String setE = list.set(4, "A");
        System.out.println("被替换的元素:" + setE);//被替换的元素:a
        System.out.println(list);//[a, b, 中国, d, A]

        //List集合遍历有3种方式
        //使用普通的for循环
        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            //public E get(int index):返回集合中指定位置的元素。
            String s = list.get(i);
            System.out.print(s);
        }
        System.out.println("-----------------");
        //使用迭代器
        Iterator<String> it = list.iterator();
        while (it.hasNext()) {
            String s = it.next();
            System.out.println(s);
        }
        System.out.println("-----------------");
        //使用增强for
        for (String s : list) {
            System.out.println(s);
        }
        //获取不存在的index
        //String r = list.get(5);//IndexOutOfBoundsException: Index 5 out-of-bounds for length 5
        //System.out.println(r);

    }
}

ArrayList集合

java.util.ArrayList集合 implements List接口

注意：

• java.util.ArrayList 集合数据存储的结构是数组结构。元素增删慢，查找快，由于日常开发中使用最多的功能为查询数据、遍历数据，所以 ArrayList 是最常用的集合。许多程序员开发时非常随意地使用ArrayList完成任何需求，并不严谨，这种用法是不提倡的。

LinkedList集合

java.util.LinkedList集合 implements List接口

LinkedList集合的特点:

• 底层是一个链表结构:查询慢,增删快
• 里边包含了大量操作首尾元素的方法

注意:

• 使用LinkedList集合特有的方法,不能使用多态

LinkedList特有方法

java.util.LinkedList 集合数据存储的结构是链表结构。方便元素添加、删除的集合。LinkedList是一个双向链表。实际开发中对一个集合元素的添加与删除经常涉及到首尾操作，而LinkedList提供了大量首尾操作的方法。这些方法我们作为了解即可：

• public void addFirst(E e) :将指定元素插入此列表的开头。
• public void addLast(E e) :将指定元素添加到此列表的结尾。
• public E getFirst() :返回此列表的第一个元素。
• public E getLast() :返回此列表的最后一个元素。
• public E removeFirst() :移除并返回此列表的第一个元素。
• public E removeLast() :移除并返回此列表的最后一个元素。
• public E pop() :从此列表所表示的堆栈处弹出一个元素。
• public void push(E e) :将元素推入此列表所表示的堆栈。
• public boolean isEmpty() ：如果列表不包含元素，则返回true。

代码演示方法

package demo01.List;

import java.util.LinkedList;
/*
   - public E pop():从此列表所表示的堆栈处弹出一个元素。此方法相当于 removeFirst
     - public void push(E e):将元素推入此列表所表示的堆栈。此方法等效于 addFirst(E)。
 */
public class LinkedListDemo {
    public static void main(String[] args) {
        LinkedList<String> link = new LinkedList<String>();
        //添加元素
        link.addFirst("abc1");
        link.addFirst("abc2");
        link.addFirst("abc3");
        System.out.println(link);
        // 获取元素
        System.out.println(link.getFirst());
        System.out.println(link.getLast());
        // 删除元素
        System.out.println(link.removeFirst());
        System.out.println(link.removeLast());
        while (!link.isEmpty()) {
            //判断集合是否为空
            System.out.println(link.pop());
            //弹出集合中的栈顶元素
        }
        System.out.println(link);
    }
}

代码执行后的结果

Set接口

java.util.Set 接口和 java.util.List 接口一样，同样继承自 Collection 接口，它与 Collection 接口中的方法基本一致，并没有对 Collection 接口进行功能上的扩充，只是比 Collection 接口更加严格了。与 List 接口不同的是， Set 接口中元素无序，并且都会以某种规则保证存入的元素不出现重复。Set 集合有多个子类，这里我们介绍其中的 java.util.HashSet 、 java.util.LinkedHashSet 这两个集合。

总结一下Set接口的特点：

• java.util.Set接口 extends Collection接口
• 不允许存储重复的元素
• 没有索引,没有带索引的方法,也不能使用普通的for循环遍历

HashSet集合介绍

java.util.HashSet 是 Set 接口的一个实现类，它所存储的元素是不可重复的，并且元素都是无序的(即存取顺序不一致)。 java.util.HashSet 底层的实现其实是一个 java.util.HashMap 支持。HashSet 是根据对象的哈希值来确定元素在集合中的存储位置，因此具有良好的存取和查找性能。保证元素唯一性的方式依赖于： hashCode 与 equals 方法。

总结一下HashSet特点:

• java.util.HashSet集合 implements Set接口
• 不允许存储重复的元素
• 没有索引,没有带索引的方法,也不能使用普通的for循环遍历
• 是一个无序的集合,存储元素和取出元素的顺序有可能不一致
• 底层是一个哈希表结构(查询的速度非常的快)

遍历Set集合

代码演示

public class Demo01Set {
    public static void main(String[] args) {
        Set<Integer> set = new HashSet<>();
        //使用add方法往集合中添加元素
        set.add(1);
        set.add(3);
        set.add(2);
        set.add(1);
        //使用迭代器遍历set集合
        Iterator<Integer> it = set.iterator();
        while (it.hasNext()){
            Integer n = it.next();
            System.out.println(n);//1,2,3
        }
        //使用增强for遍历set集合
        System.out.println("-----------------");
        for (Integer i : set) {
            System.out.println(i);
        }
    }
}

 哈希值

哈希值:是一个十进制的整数,由系统随机给出(就是对象的地址值,是一个逻辑地址,是模拟出来得到地址,不是数据实际存储的物理地址)。在Object类有一个方法,可以获取对象的哈希值

• int hashCode() 返回该对象的哈希码值。

hashCode方法的源码:

public native int hashCode();

tips：

• native:代表该方法调用的是本地操作系统的方法

HashSet集合存储数据的结构（哈希表）

什么是哈希表呢？

在JDK1.8之前，哈希表底层采用数组+链表实现，即使用链表处理冲突，同一hash值的链表都存储在一个链表里。但是当位于一个桶中的元素较多，即hash值相等的元素较多时，通过key值依次查找的效率较低。而JDK1.8中，哈希表存储采用数组+链表+红黑树实现，当链表长度超过阈值（8）时，将链表转换为红黑树，这样大大减少了查找时间。

简单的来说，哈希表是由数组+链表+红黑树（JDK1.8增加了红黑树部分）实现的，如下图所示

总而言之，JDK1.8引入红黑树大程度优化了HashMap的性能，那么对于我们来讲保证HashSet集合元素的唯一，其实就是根据对象的hashCode和equals方法来决定的。如果我们往集合中存放自定义的对象，那么保证其唯一，就必须复写hashCode和equals方法建立属于当前对象的比较方式。 

Set集合存储元素不重复的原理

• 先比较哈希值，如果相同则比较equals值，如果都相同则认为是同一个元素，只存储一次

HashSet存储自定义类型元素 

给HashSet中存放自定义类型元素时，需要重写对象中的hashCode和equals方法，建立自己的比较方式，才能保证HashSet集合中的对象唯一

创建自定义Student类 

package demo02.Set;

import java.util.Objects;

public class Person {
    private String name;
    private int age;

    public Person() {
    }

    public Person(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    @Override
    public boolean equals(Object o) {
        if (this == o) return true;
        if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false;
        Person person = (Person) o;
        return age == person.age &&
                Objects.equals(name, person.name);
    }

    @Override
    public int hashCode() {

        return Objects.hash(name, age);
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Person{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", age=" + age +
                '}';
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }
}

创建测试类

package demo02.Set;

import java.util.HashSet;

/*
    HashSet存储自定义类型元素

    set集合报错元素唯一:
        存储的元素(String,Integer,...Student,Person...),必须重写hashCode方法和equals方法

    要求:
        同名同年龄的人,视为同一个人,只能存储一次
 */
public class Demo03HashSetSavePerson {
    public static void main(String[] args) {
        //创建HashSet集合存储Person
        HashSet<Person> set = new HashSet<>();
        Person p1 = new Person("小美女",18);
        Person p2 = new Person("小美女",18);
        Person p3 = new Person("小美女",19);
        System.out.println(p1.hashCode());
        System.out.println(p2.hashCode());

        System.out.println(p1==p2);
        System.out.println(p1.equals(p2));
        set.add(p1);
        set.add(p2);
        set.add(p3);
        System.out.println(set);
    }

}

代码执行后的结果

LinkedHashSet

我们知道HashSet保证元素唯一，可是元素存放进去是没有顺序的，那么我们要保证有序，怎么办呢？在HashSet下面有一个子类 java.util.LinkedHashSet ，它是链表和哈希表组合的一个数据存储结构。 

可变参数 

在JDK1.5之后，如果我们定义一个方法需要接受多个参数，并且多个参数类型一致，我们可以对其简化成如下格式：

JDK1.5以后。出现了简化操作。... 用在参数上，称之为可变参数。同样是代表数组，但是在调用这个带有可变参数的方法时，不用创建数组(这就是简单之处)，直接将数组中的元素作为实际参数进行传递，其实编译成的class文件，将这些元素先封装到一个数组中，在进行传递。这些动作都在编译.class文件时，自动完成了。 

可变参数的原理:

• 可变参数底层就是一个数组,根据传递参数个数不同,会创建不同长度的数组,来存储这些参数传递的参数个数,可以是0个(不传递),1,2...多个

可变参数的注意事项

• 一个方法的参数列表,只能有一个可变参数
• 如果方法的参数有多个,那么可变参数必须写在参数列表的末尾

可变参数的终极写法

 //可变参数的特殊(终极)写法
    public static void method(Object...obj){

    }

代码演示

package demo04.VarArgs;

public class ChangeArgs {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = {1, 4, 62, 431, 2};
        int sum = getSum(arr);
        System.out.println(sum);//500
        // 6 7 2 12 2121
        // 求 这几个元素和 6 7 2 12 2121
        int sum2 = getSum(6, 7, 2, 12, 2121);
        System.out.println(sum2);//2148
    }

    /**
     * 完成数组 所有元素的求和 原始写法
     * public static int getSum(int[] arr){
     * int sum = 0;
     * for(int a : arr){
     * sum += a;
     * }
     * return sum; }
     * 可变参数写法
     */

    public static int getSum(int... arr) {
        int sum = 0;
        for (int a : arr) {
            sum += a;
        }
        return sum;
    }
}

Collections 集合工具类

java.utils.Collections 是集合工具类，用来对集合进行操作。部分方法如下：

• public static <T> boolean addAll(Collection<T> c, T... elements) :往集合中添加一些元素。

ArrayList<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
//采用工具类 完成 往集合中添加元素
 Collections.addAll(list, 5, 222, 1，2);

• public static void shuffle(List<?> list) 打乱顺序 :打乱集合顺序。

 //public static void shuffle(List<?> list) 打乱顺序:打乱集合顺序。
  Collections.shuffle(list);

• public static <T> void sort(List<T> list) :将集合中元素按照默认规则排序。
• public static <T> void sort(List<T> list，Comparator<? super T> ) :将集合中元素按照指定规则排序。 

么在JAVA中提供了两种比较实现的方式，一种是比较死板的采用 java.lang.Comparable 接口去实现，一种是灵活的当我需要做排序的时候在去选择的java.util.Comparator 接口完成。那么我们采用的 public static <T> void sort(List<T> list) 这个方法完成的排序，实际上要求了被排序的类型需要实现Comparable接口完成比较的功能，在String类型上如下： 

public final class String implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {

String类实现了这个接口，并完成了比较规则的定义，但是这样就把这种规则写死了，那比如我想要字符串按照第一个字符降序排列，那么这样就要修改String的源代码，这是不可能的了，那么这个时候我们可以使用public static <T> void sort(List<T> list，Comparator<? super T> ) 方法灵活的完成，这个里面就涉及到了Comparator这个接口，位于位于java.util包下，排序是comparator能实现的功能之一,该接口代表一个比较器，比较器具有可比性！顾名思义就是做排序的，通俗地讲需要比较两个对象谁排在前谁排在后，那么比较的方法就是：public int compare(String o1, String o2) ：比较其两个参数的顺序。

两个对象比较的结果有三种：大于，等于，小于。

• 如果要按照升序排序， 则o1 小于o2，返回（负数），相等返回0，01大于02返回（正数） 如果要按照
• 降序排序 则o1 小于o2，返回（正数），相等返回0，01大于02返回（负数） 

简述Comparable和Comparator两个接口的区别。 

• Comparable：强行对实现它的每个类的对象进行整体排序。这种排序被称为类的自然排序，类的compareTo方法被称为它的自然比较方法。只能在类中实现compareTo()一次，不能经常修改类的代码实现自己想要的排序。实现此接口的对象列表（和数组）可以通过Collections.sort（和Arrays.sort）进行自动排序，对象可以用作有序映射中的键或有序集合中的元素，无需指定比较器。
• Comparator强行对某个对象进行整体排序。可以将Comparator 传递给sort方法（如Collections.sort或Arrays.sort），从而允许在排序顺序上实现精确控制。还可以使用Comparator来控制某些数据结构（如有序set或有序映射）的顺序，或者为那些没有自然顺序的对象collection提供排序。 

如果在使用的时候，想要独立的定义规则去使用 可以采用Collections.sort(List list,Comparetor c)方式，自己定义规则： 

 Collections.sort(list02, new Comparator<Student>() {
            @Override
            public int compare(Student o1, Student o2) {
                //按照年龄升序排序
                int result =  o1.getAge()-o2.getAge();
                //如果两个人年龄相同,再使用姓名的第一个字比较
                if(result==0){
                    result =  o1.getName().charAt(0)-o2.getName().charAt(0);
                }
                return  result;
            }

        });