Java Collections Framework Comments (full)

Original author: glacial lake iceberg

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A, Java Collections Framework Overview

　　Set can be seen as a container for storing object information. All collections are located in the java.util package, but supports multithreading collections located in the java.util.concurrent package.

　　The difference between the set array is as follows:

　　1) length of the array can not change and can not save data having a mapping relationship; collection class for an unspecified number of stored data and the data stored with mappings.

　　2) the value of array element can be either a base type may be an object; only save a collection of objects.

　　Java collection class mainly by two interfaces and Map Collection root derived, derived Collection three sub-interfaces: List, Set, Queue (Java5 new queue), and thus also be divided into roughly a set of Java List, Set, Queue, Map LC interfaces, system (note: not a sub-interface Map Collection of).

　　List which represents the ordered set may be repeated, can be accessed directly according to the index element; disorder not repeat a set of representatives of the Set can only be accessed according to the elements themselves; Queue is a queue set; represents the Map memory key-value pairs collection can be accessed according to the value of the key elements.

　　Light green background image above covers a collection of commonly used system implementation class is ArrayList, LinkedList, ArrayQueue, HashSet, TreeSet, HashMap, TreeMap other implementation class.

Two, Java set of common interfaces and implementation classes

1. Collection Interface common method (from Java API)

2. Set collection

　　Collection Set the same set of methods, since the same set Set storage element is not allowed, so if two identical elements added to the same set Set, the add operation fails, a new element is not added, the Add () method returns false . To help understand, consider the following sample code:

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        Set<String> set = new HashSet<String>();
        set.add("hello world");
        set.add("hello 冰湖一角");
        set.add("hello 冰湖一角");//添加不进去
        System.out.println("集合中元素个数："+set.size());
        System.out.println("集合中元素为："+set.toString());
    }
}

运行结果如下：

集合中元素个数：2
集合中元素为：[hello world, hello 冰湖一角]

分析：由于String类中重写了hashCode()和equals()方法，用来比较指向的字符串对象所存储的字符串是否相等。所以这里的第二个"hello 冰湖一角"是加不进去的。

下面着重介绍Set集合几个常用实现类：

1）HashSet类

　　HashSet是Set集合最常用实现类，是其经典实现。HashSet是按照hash算法来存储元素的，因此具有很好的存取和查找性能。

　　HashSet具有如下特点：

　　♦ 不能保证元素的顺序。

　　♦ HashSet不是线程同步的，如果多线程操作HashSet集合，则应通过代码来保证其同步。

　　♦ 集合元素值可以是null。

　　HashSet存储原理如下：

　　当向HashSet集合存储一个元素时，HashSet会调用该对象的hashCode()方法得到其hashCode值，然后根据hashCode值决定该对象的存储位置。HashSet集合判断两个元素相等的标准是(1)两个对象通过equals()方法比较返回true；(2)两个对象的hashCode()方法返回值相等。因此，如果(1)和(2)有一个不满足条件，则认为这两个对象不相等，可以添加成功。如果两个对象的hashCode()方法返回值相等，但是两个对象通过equals()方法比较返回false，HashSet会以链式结构将两个对象保存在同一位置，这将导致性能下降，因此在编码时应避免出现这种情况。

　　HashSet查找原理如下：

　　基于HashSet以上的存储原理，在查找元素时，HashSet先计算元素的HashCode值（也就是调用对象的hashCode方法的返回值），然后直接到hashCode值对应的位置去取出元素即可，这就是HashSet速度很快的原因。

　　重写hashCode()方法的基本原则如下：

　　♦ 在程序运行过程中，同一个对象的hashCode()方法返回值应相同。

　　♦ 当两个对象通过equals()方法比较返回true时，这两个对象的hashCode()方法返回值应该相等。

　　♦ 对象中用作equals()方法比较标准的实例变量，都应该用于计算hashCode值。

2）LinkedHashSet类

　　LinkedHashSet是HashSet的一个子类，具有HashSet的特性，也是根据元素的hashCode值来决定元素的存储位置。但它使用链表维护元素的次序，元素的顺序与添加顺序一致。由于LinkedHashSet需要维护元素的插入顺序，因此性能略低于HashSet，但在迭代访问Set里的全部元素时由很好的性能。

3）TreeSet类

　　TreeSet时SortedSet接口的实现类，TreeSet可以保证元素处于排序状态，它采用红黑树的数据结构来存储集合元素。TreeSet支持两种排序方法：自然排序和定制排序，默认采用自然排序。

　　♦ 自然排序

　　TreeSet会调用集合元素的compareTo(Object obj)方法来比较元素的大小关系，然后将元素按照升序排列，这就是自然排序。如果试图将一个对象添加到TreeSet集合中，则该对象必须实现Comparable接口，否则会抛出异常。当一个对象调用方法与另一个对象比较时，例如obj1.compareTo(obj2)，如果该方法返回0，则两个对象相等；如果返回一个正数，则obj1大于obj2；如果返回一个负数，则obj1小于obj2。

　　Java常用类中已经实现了Comparable接口的类有以下几个：

　　♦ BigDecimal、BigDecimal以及所有数值型对应的包装类：按照它们对应的数值大小进行比较。

　　♦ Charchter：按照字符的unicode值进行比较。

　　♦ Boolean：true对应的包装类实例大于false对应的包装类实例。

　　♦ String：按照字符串中的字符的unicode值进行比较。

　　♦ Date、Time：后面的时间、日期比前面的时间、日期大。

　　对于TreeSet集合而言，它判断两个对象是否相等的标准是：两个对象通过compareTo(Object obj)方法比较是否返回0，如果返回0则相等。

　　♦ 定制排序

　　想要实现定制排序，需要在创建TreeSet集合对象时，提供一个Comparator对象与该TreeSet集合关联，由Comparator对象负责集合元素的排序逻辑。

　　综上：自然排序实现的是Comparable接口，定制排序实现的是Comparator接口。（具体代码实现会在后续章节中讲解）

4）EnumSet类

　　EnumSet是一个专为枚举类设计的集合类，不允许添加null值。EnumSet的集合元素也是有序的，它以枚举值在Enum类内的定义顺序来决定集合元素的顺序。

5）各Set实现类的性能分析

　　HashSet的性能比TreeSet的性能好（特别是添加，查询元素时），因为TreeSet需要额外的红黑树算法维护元素的次序，如果需要一个保持排序的Set时才用TreeSet，否则应该使用HashSet。

　　LinkedHashSet是HashSet的子类，由于需要链表维护元素的顺序，所以插入和删除操作比HashSet要慢，但遍历比HashSet快。

　　EnumSet是所有Set实现类中性能最好的，但它只能保存同一个枚举类的枚举值作为集合元素。

　　以上几个Set实现类都是线程不安全的，如果多线程访问，必须手动保证集合的同步性，这在后面的章节中会讲到。

3. List集合

　　List集合代表一个有序、可重复集合，集合中每个元素都有其对应的顺序索引。List集合默认按照元素的添加顺序设置元素的索引，可以通过索引（类似数组的下标）来访问指定位置的集合元素。

　　实现List接口的集合主要有：ArrayList、LinkedList、Vector、Stack。

1）ArrayList

ArrayList是一个动态数组，也是我们最常用的集合，是List类的典型实现。它允许任何符合规则的元素插入甚至包括null。每一个ArrayList都有一个初始容量（10），该容量代表了数组的大小。随着容器中的元素不断增加，容器的大小也会随着增加。在每次向容器中增加元素的同时都会进行容量检查，当快溢出时，就会进行扩容操作。所以如果我们明确所插入元素的多少，最好指定一个初始容量值，避免过多的进行扩容操作而浪费时间、效率。

ArrayList擅长于随机访问。同时ArrayList是非同步的。

2）LinkedList

LinkedList是List接口的另一个实现，除了可以根据索引访问集合元素外，LinkedList还实现了Deque接口，可以当作双端队列来使用，也就是说，既可以当作“栈”使用，又可以当作队列使用。

　　LinkedList的实现机制与ArrayList的实现机制完全不同，ArrayLiat内部以数组的形式保存集合的元素，所以随机访问集合元素有较好的性能；LinkedList内部以链表的形式保存集合中的元素，所以随机访问集合中的元素性能较差，但在插入删除元素时有较好的性能。

3）Vector

与ArrayList相似，但是Vector是同步的。所以说Vector是线程安全的动态数组。它的操作与ArrayList几乎一样。

4）Stack

Stack继承自Vector，实现一个后进先出的堆栈。Stack提供5个额外的方法使得Vector得以被当作堆栈使用。基本的push和pop 方法，还有peek方法得到栈顶的元素，empty方法测试堆栈是否为空，search方法检测一个元素在堆栈中的位置。Stack刚创建后是空栈。

5）Iterator接口和ListIterator接口

　　Iterator是一个接口，它是集合的迭代器。集合可以通过Iterator去遍历集合中的元素。Iterator提供的API接口如下：

　　♦ boolean hasNext()：判断集合里是否存在下一个元素。如果有，hasNext()方法返回 true。
　　♦ Object next()：返回集合里下一个元素。
　　♦ void remove()：删除集合里上一次next方法返回的元素。

　　ListIterator接口继承Iterator接口，提供了专门操作List的方法。ListIterator接口在Iterator接口的基础上增加了以下几个方法：

　　♦ boolean hasPrevious()：判断集合里是否存在上一个元素。如果有，该方法返回 true。
　　♦ Object previous()：返回集合里上一个元素。
　　♦ void add(Object o)：在指定位置插入一个元素。

　　以上两个接口相比较，不难发现，ListIterator增加了向前迭代的功能（Iterator只能向后迭代），ListIterator还可以通过add()方法向List集合中添加元素（Iterator只能删除元素）。

4. Map集合

　　Map接口采用键值对Map<K,V>的存储方式，保存具有映射关系的数据，因此，Map集合里保存两组值，一组值用于保存Map里的key，另外一组值用于保存Map里的value，key和value可以是任意引用类型的数据。key值不允许重复，可以为null。如果添加key-value对时Map中已经有重复的key，则新添加的value会覆盖该key原来对应的value。常用实现类有HashMap、LinkedHashMap、TreeMap等。

　　Map常见方法（来源于API）如下：

1）HashMap与Hashtable

　　HashMap与Hashtable是Map接口的两个典型实现，它们之间的关系完全类似于ArrayList与Vertor。HashTable是一个古老的Map实现类，它提供的方法比较繁琐，目前基本不用了，HashMap与Hashtable主要存在以下两个典型区别：

　　♦ HashMap是线程不安全，HashTable是线程安全的。

　　♦ HashMap可以使用null值最为key或value；Hashtable不允许使用null值作为key和value，如果把null放进HashTable中，将会发生空指针异常。

　　为了成功的在HashMap和Hashtable中存储和获取对象，用作key的对象必须实现hashCode()方法和equals()方法。

　　HashMap工作原理如下：

　　HashMap基于hashing原理，通过put()和get()方法存储和获取对象。当我们将键值对传递给put()方法时，它调用建对象的hashCode()方法来计算hashCode值，然后找到bucket位置来储存值对象。当获取对象时，通过建对象的equals()方法找到正确的键值对，然后返回对象。HashMap使用链表来解决碰撞问题，当发生碰撞了，对象将会存储在链表的下一个节点中。

2）LinkedHashMap实现类

　　LinkedHashMap使用双向链表来维护key-value对的次序（其实只需要考虑key的次序即可），该链表负责维护Map的迭代顺序，与插入顺序一致，因此性能比HashMap低，但在迭代访问Map里的全部元素时有较好的性能。

3）Properties

　　Properties类时Hashtable类的子类，它相当于一个key、value都是String类型的Map，主要用于读取配置文件。

4）TreeMap实现类

　　TreeMap是SortedMap的实现类，是一个红黑树的数据结构，每个key-value对作为红黑树的一个节点。TreeMap存储key-value对时，需要根据key对节点进行排序。TreeMap也有两种排序方式：

　　♦ 自然排序：TreeMap的所有key必须实现Comparable接口，而且所有的key应该是同一个类的对象，否则会抛出ClassCastException。

　　♦ 定制排序：创建TreeMap时，传入一个Comparator对象，该对象负责对TreeMap中的所有key进行排序。

5）各Map实现类的性能分析

　　♦ HashMap通常比Hashtable（古老的线程安全的集合）要快

　　♦ TreeMap通常比HashMap、Hashtable要慢，因为TreeMap底层采用红黑树来管理key-value。

　　♦ LinkedHashMap比HashMap慢一点，因为它需要维护链表来爆出key-value的插入顺序。　

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一、Java集合框架概述

　　集合可以看作是一种容器，用来存储对象信息。所有集合类都位于java.util包下，但支持多线程的集合类位于java.util.concurrent包下。

　　数组与集合的区别如下：

　　1）数组长度不可变化而且无法保存具有映射关系的数据；集合类用于保存数量不确定的数据，以及保存具有映射关系的数据。

　　2）数组元素既可以是基本类型的值，也可以是对象；集合只能保存对象。

　　Java集合类主要由两个根接口Collection和Map派生出来的，Collection派生出了三个子接口：List、Set、Queue（Java5新增的队列），因此Java集合大致也可分成List、Set、Queue、Map四种接口体系，（注意：Map不是Collection的子接口）。

　　其中List代表了有序可重复集合，可直接根据元素的索引来访问；Set代表无序不可重复集合，只能根据元素本身来访问；Queue是队列集合；Map代表的是存储key-value对的集合，可根据元素的key来访问value。

　　上图中淡绿色背景覆盖的是集合体系中常用的实现类，分别是ArrayList、LinkedList、ArrayQueue、HashSet、TreeSet、HashMap、TreeMap等实现类。

二、Java集合常见接口及实现类

1. Collection接口常见方法（来源于Java API）

2. Set集合

　　Set集合与Collection的方法相同，由于Set集合不允许存储相同的元素，所以如果把两个相同元素添加到同一个Set集合，则添加操作失败，新元素不会被加入，add()方法返回false。为了帮助理解，请看下面代码示例：

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        Set<String> set = new HashSet<String>();
        set.add("hello world");
        set.add("hello 冰湖一角");
        set.add("hello 冰湖一角");//添加不进去
        System.out.println("集合中元素个数："+set.size());
        System.out.println("集合中元素为："+set.toString());
    }
}