Java-JavaCollecionsFramework

本章是整理知识内容，为强化知识长期更新。

Java集合

​ 集合是Java提供的工具包、包含常用的数据结构：集合、链表、队列、栈、数组、映射等。Collection的包是java.util.*。

Collection

Map

实际上还有Cloneable、Serializable接口是都集合类需要实现的，通用所以不不画上去了。

Java集合主要划分4个部分：

• List(列队)
• Set(集合)
• Map(映射)
• 工具类(Iterator迭代器、Enumeration枚举类、Arrays、Collections)

划重点

• Conllection
  • List
    • ArrayList
    • Vector
      • Stack
    • LinkedList
  • Set
    • HashSet
    • TreeSet
    • LinkedHashSet
  • Queue
• Map
  • HashMap
  • HashTable
  • TreeMap
• 工具
  • Arrays
  • Collections
  • Enumeration

Java类库中具体集合

集合类型	概括
ArrayList	一种可以动态增长和缩减的索引序列，访问速度很快但是插入和删除比ArrayList慢。
LinkedList	一种可以在任何位置进行高效地插入和删除操作的有序序列，但是访问比较ArrayList慢。
CopyOnWriteArrayList	CopyOnWriteArrayList相当于线程安全的ArrayList，它实现了List接口，支持高并发。
ArrayDeque	一种循环数组实现的双端序列。
HashSet	一种没有重复元素的无序集合。
TreeSet	一种有序集合。
EnumSet<E extends Enum>	一种包含枚举类型的集合。
LinkedHashSet	一种可以记住元素插入顺序的集合。
PriorityQueue	一种允许高效删除最小元素的集合。
HashMap<K , V>	一个存储 键 / 值 关联的数据结构。
TreeMap<K , V>	一种键值有序排列的映射表。
EnumMap<K extends Enum, V>	一种键属于枚举类型的映射表。
LinkedHashMap<K ,V >	一种可以记住键 / 值 项添加顺序的映射表。
WeakHashMap<K , V >	一种其值无用武之地后可以被垃圾回收回收的映射表。
IdentityHashMap<K , V>	一种用 == 而不是用用 equals 比较的映射表。

Java Collection Interface

Set

• TreeSet：基于红黑树实现，支持有序性操作，例如根据一个范围查找元素的操作。但是查找效率不如 HashSet，HashSet 查找的时间复杂度为 O(1)，TreeSet 则为 O(logN)。
• HashSet：基于哈希表实现，支持快速查找，但不支持有序性操作。并且失去了元素的插入顺序信息，也就是说使用 Iterator 遍历 HashSet 得到的结果是不确定的。
• LinkedHashSet：具有 HashSet 的查找效率，并且内部使用双向链表维护元素的插入顺序。

List

• ArrayList：基于动态数组实现，支持随机访问。
• Vector：和 ArrayList 类似，但它是线程安全的。
• LinkedList：基于双向链表实现，只能顺序访问，但是可以快速地在链表中间插入和删除元素。不仅如此，LinkedList 还可以用作栈、队列和双向队列。

Queue

• LinkedList：可以用它来实现双向队列。
• PriorityQueue：基于堆结构实现，可以用它来实现优先队列。

Map

• TreeMap：基于红黑树实现。
• HashMap：基于哈希表实现。
• HashTable：和 HashMap 类似，但它是线程安全的，这意味着同一时刻多个线程同时写入 HashTable 不会导致数据不一致。它是遗留类，不应该去使用它，而是使用 ConcurrentHashMap 来支持线程安全，ConcurrentHashMap 的效率会更高，因为 ConcurrentHashMap 引入了分段锁。
• LinkedHashMap：使用双向链表来维护元素的顺序，顺序为插入顺序或者最近最少使用（LRU）顺序。
• ConcurrentHashMap：并发线程安全的hashMap。

泛型E

​ 该接口封装了不同类型的结合，使得开发人员操作集合的时候不必关心他们具体的实现，核心的集合接口是Java集合框架的基础。证如上图看到的核心集合接口的层次关系。

​ 语法告诉我们这个接口是泛化的，在使用集合的时候需要声明集合的实例、指定集合中对象的类型。指定类型之后编译器能在编译期间验证集合中的元素类型是正确的。从而减少错误。

Interface

首先简单的介绍下接口以及接口的方法，便于后面的深入学习。

• Iterator

• Iterable

• Collection

  • Queue

    • LinkedList 双向列队结构。
    • PriorityQueue 基于堆机构实现，可以用来做优先级列队。

  • Set

    • HashSet 基于哈希实现，支持快速查找，但不支持有序性操作，例如根据一个范围查找元素的操作。并且失去了元素的插入顺序信息，也就是说使用 Iterator 遍历 HashSet 得到的结果是不确定的。
    • TreeSet 基于红黑树实现，支持有序性操作，但是查找效率不如 HashSet，HashSet 查找时间复杂度为 O(1)，TreeSet 则为 O(logN)；

  • LinkedHashSet 具有 HashSet 的查找效率，且内部使用链表维护元素的插入顺序。

  • List

    • ArrayList 基于动态数组实现，支持随机访问元素。
    • Vector 和ArrayList类似，但是它是线程安全的。
    • Stack 是Vector的子类，它实现了一个标准的后进先出的栈。
    • LinkedList 基于双向循环列表，只能顺序访问；可以快速的插入和删除元素。而且，LinkedList还可以用作栈、列队和双端列队。

• Map<K , V >

需要特别说明下Irertor<E> 和Iterable<T>这两个接口，Iterator模式是用于遍历集合类的标准方法。它主要用于将 访问逻辑从不同的类型集合类中抽象出来、所以在很多实现了Iterble集合类中实现这个多个Iterator接口。这样避免向客用户包撸集合内部的结构，这就是为什么我们用的这么爽的原因之一。

实现类一览表

Collction	排序	随机访问	Key-Value	可重复元素	空元素	线程安全
ArrayList	Y	Y	N	Y	Y	N
LinkedList	Y	N	N	Y	Y	N
HashSet	N	N	N	N	Y	N
TreeSet	Y	N	N	N	N	N
HashMap	N	Y	Y	N	Y	N
TreeMap	Y	Y	Y	N	N	N
Vector	Y	Y	N	Y	Y	Y
Stack	Y	N	N	Y	Y	Y
Hashtable	N	Y	Y	N	N	Y
Properties	Y	N	N	Y	Y	Y
CopyOnWriteArrayList	Y	Y	Y	N	N	Y
ConcurrentHashMap	N	Y	Y	N	N	Y
CopyOnWriteArrayList	N	N	N	N	Y	Y

Iterator 接口

• 迭代器必须从属容器、其作用就是迭代所属容器中的元素。源代码看出这是一个泛型接口。就是迭代泛型类元素。

public interface Iterator<E> {

    // 如果存在可以返回的元素就返回true
    boolean hasNext();

    // 返回将要访问的下一个元素、如果已经达到集合的尾部，则抛出一个NoSuchElementException异常。
    E next();

 	// 删除上次访问的对象。如果已经是尾部；则抛出一个IllegalStateException异常。
    // 如果没有重写这个方法就会排除这个异常UnsupportedOperationException  
    // 比如：Arrays$ArrayList中add 、 remove方法就没有重写，直接使用Arrays.toList的集合就会抛出这个异常
    default void remove() {
        throw new UnsupportedOperationException("remove");
    }

    // Itreator专门提供的一个方法，可以使用Lambda表达式遍历。
    default void forEachRemaining(Consumer<? super E> action) {
        Objects.requireNonNull(action);
        while (hasNext())
            action.accept(next());
    }
}

Iterable 接口

• 这个接口被Collection继承。

public interface Iterable<T> {
   
    // 定义了Iterator，返回Iterator实例。
    Iterator<T> iterator();
    
    // 增强for循环，专门给Lambda表达式遍历。
    default void forEach(Consumer<? super T> action) {
        Objects.requireNonNull(action);
        for (T t : this) {
            action.accept(t);
        }
    }
   
    // 根据此Iterable描述的元素创建Spliterator。
    default Spliterator<T> spliterator() {
        return Spliterators.spliteratorUnknownSize(iterator(), 0);
    }
}

Collection 接口

• 这个接口集合接口。

public interface Collection<E> extends Iterable<E> {
    // Query Operations

   	// 返回当前存储在集合中的元素个数。
    int size();

    // 如果集合中没有元素,则返回true。
    boolean isEmpty();

    // 如果集合中包含一个元素与参数o相同,这返回true。
    boolean contains(Object o);

    // 返回当前用于访问集合的迭代器。
    Iterator<E> iterator();

    // 返回这个集合的数组对象。
    Object[] toArray();
    
    // 返回这个集合的数组对象，如果t这个数组足够大，就将集合中的元素填入这个数组中。剩余的空间填入Null；否则，分配一个新数组，其成员类型与t的成员类型相同，其长度等于集合的大小，并添加集合元素。
    <T> T[] toArray(T[] a);

    // Modification Operations
 	// 将一个元素添加到集合中，如果这个调用改变了集合，则返回true。
    boolean add(E e);

 	// 从这个集合中删除等于o的对象，如果匹配对象被删除。就返回true。
    boolean remove(Object o);

    // Bulk Operations
    // 如果此集合包含指定集合c中的所有元素，则返回true。
    boolean containsAll(Collection<?> c);

	// 将c集合中所有元素添加到这个集合中，如果由于这个调用改变了集合，返回true。
    boolean addAll(Collection<? extends E> c);

    //  从集合中删除集合c中的所有元素，如果由于这个元素改变了集合，返回true。
    boolean removeAll(Collection<?> c);

    // 删除此集合中满足给定谓词的所有元素。
    default boolean removeIf(Predicate<? super E> filter) {
        Objects.requireNonNull(filter);
        boolean removed = false;
        final Iterator<E> each = iterator();
        while (each.hasNext()) {
            if (filter.test(each.next())) {
                each.remove();
                removed = true;
            }
        }
        return removed;
    }

	// 仅保留包含在指定集合中的此c集合中的元素
    boolean retainAll(Collection<?> c);

    // 从这个集合中删除所有元素。
    void clear();

    // Comparison and hashing
    // 从这个集合中删除所有元素。
    boolean equals(Object o);

    // 返回此集合的哈希码值
    int hashCode();

 	// 在此集合中的元素上创建Spliterator
    @Override
    default Spliterator<E> spliterator() {
        return Spliterators.spliterator(this, 0);
    }

   	// 以此集合作为源返回顺序流。
    default Stream<E> stream() {
        return StreamSupport.stream(spliterator(), false);
    }

    // 以此集合作为源返回可能并行的Stream。
    default Stream<E> parallelStream() {
        return StreamSupport.stream(spliterator(), true);
    }
}

Map 接口

翻译成中文就是地图，x y 坐标代表地图上的一个位置。Map就是一种 键\值的存在。键好比地图中的x y ，值好比地图中的位置。

public interface Map<K,V> {
    // Query Operations

    // 返回此映射中的键-值映射关系数。
    int size();

    /**
     * Returns <tt>true</tt> if this map contains no key-value mappings.
     *
     * @return <tt>true</tt> if this map contains no key-value mappings
     */
    // 如果不存在映射元素，则返回true否则返回false。
    boolean isEmpty();

    // 如果这个映射表已经存有这个键就返回true。
    boolean containsKey(Object key);

 	// 如果这个映射表已经存在这个值就返回true。
    boolean containsValue(Object value);

    // 获取与键对应的值；返回与键对应的对象，如果映射表中没有这个对象则返回NULL，键可以是NULL。
    V get(Object key);

    // Modification Operations

 	// 将键值对关系插入映射表中，如果这个键已经存在，新的对象会取代这个键对应旧的对象。这个方法将返回键的旧值，如果这个键以前没有出现过则返回NULL，键可以是NULL,但是值不能是NULL。
    V put(K key, V value);
	
    // 如果该键 key 的映射存在，则从映射集合中删除该映射，并返回该键对应的值。如果该键没有映射关系，则返回一个NULL。
    V remove(Object key);


    // Bulk Operations

    // 将m映射表中所有的条目都添加到当前的映射表中。
    void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m);

  	// 清空当前映射中键对值
    void clear();

    // Views
    // 返回映射表中所有键的集合，可以从这个集中删除元素，同时也可以映射表中删除它们，但是不能添加元素。
    Set<K> keySet();

    // 返回映射表中所有值的集合，可以从这个集中删除元素，同时也可以从映射表中删除它们，但是不能添加元素。
    Collection<V> values();

 	// 返回Map.Entry对象的集，即映射表中的键\ 值对。同时也可以从映射表中删除元素，同时可以删除该键\值对。但是不能添加任何元素。
    Set<Map.Entry<K, V>> entrySet();

   	
    interface Entry<K,V> {
      
        K getKey();

       
        V getValue();

       
        V setValue(V value);

       
        boolean equals(Object o);

      
        int hashCode();

      
        public static <K extends Comparable<? super K>, V> Comparator<Map.Entry<K,V>> comparingByKey() {
            return (Comparator<Map.Entry<K, V>> & Serializable)
                (c1, c2) -> c1.getKey().compareTo(c2.getKey());
        }

       
        public static <K, V extends Comparable<? super V>> Comparator<Map.Entry<K,V>> comparingByValue() {
            return (Comparator<Map.Entry<K, V>> & Serializable)
                (c1, c2) -> c1.getValue().compareTo(c2.getValue());
        }

     
        public static <K, V> Comparator<Map.Entry<K, V>> comparingByKey(Comparator<? super K> cmp) {
            Objects.requireNonNull(cmp);
            return (Comparator<Map.Entry<K, V>> & Serializable)
                (c1, c2) -> cmp.compare(c1.getKey(), c2.getKey());
        }

       
        public static <K, V> Comparator<Map.Entry<K, V>> comparingByValue(Comparator<? super V> cmp) {
            Objects.requireNonNull(cmp);
            return (Comparator<Map.Entry<K, V>> & Serializable)
                (c1, c2) -> cmp.compare(c1.getValue(), c2.getValue());
        }
    }

    // Comparison and hashing

   
    boolean equals(Object o);

    
    int hashCode();

    // Defaultable methods

    // 返回指定建映射到的值，如果该键不存在值，就返回一个默认的。
    default V getOrDefault(Object key, V defaultValue) {
        V v;
        return (((v = get(key)) != null) || containsKey(key))
            ? v
            : defaultValue;
    }

    // 为此映射中每一元素进行操作。
    default void forEach(BiConsumer<? super K, ? super V> action) {
        Objects.requireNonNull(action);
        for (Map.Entry<K, V> entry : entrySet()) {
            K k;
            V v;
            try {
                k = entry.getKey();
                v = entry.getValue();
            } catch(IllegalStateException ise) {
                // this usually means the entry is no longer in the map.
                throw new ConcurrentModificationException(ise);
            }
            action.accept(k, v);
        }
    }

   
    default void replaceAll(BiFunction<? super K, ? super V, ? extends V> function) {
        Objects.requireNonNull(function);
        for (Map.Entry<K, V> entry : entrySet()) {
            K k;
            V v;
            try {
                k = entry.getKey();
                v = entry.getValue();
            } catch(IllegalStateException ise) {
                // this usually means the entry is no longer in the map.
                throw new ConcurrentModificationException(ise);
            }

            // ise thrown from function is not a cme.
            v = function.apply(k, v);

            try {
                entry.setValue(v);
            } catch(IllegalStateException ise) {
                // this usually means the entry is no longer in the map.
                throw new ConcurrentModificationException(ise);
            }
        }
    }

   
    default V putIfAbsent(K key, V value) {
        V v = get(key);
        if (v == null) {
            v = put(key, value);
        }

        return v;
    }

   
    default boolean remove(Object key, Object value) {
        Object curValue = get(key);
        if (!Objects.equals(curValue, value) ||
            (curValue == null && !containsKey(key))) {
            return false;
        }
        remove(key);
        return true;
    }

   
    default boolean replace(K key, V oldValue, V newValue) {
        Object curValue = get(key);
        if (!Objects.equals(curValue, oldValue) ||
            (curValue == null && !containsKey(key))) {
            return false;
        }
        put(key, newValue);
        return true;
    }

   
    default V replace(K key, V value) {
        V curValue;
        if (((curValue = get(key)) != null) || containsKey(key)) {
            curValue = put(key, value);
        }
        return curValue;
    }

   
    default V computeIfAbsent(K key,
            Function<? super K, ? extends V> mappingFunction) {
        Objects.requireNonNull(mappingFunction);
        V v;
        if ((v = get(key)) == null) {
            V newValue;
            if ((newValue = mappingFunction.apply(key)) != null) {
                put(key, newValue);
                return newValue;
            }
        }

        return v;
    }

  
    default V computeIfPresent(K key,
            BiFunction<? super K, ? super V, ? extends V> remappingFunction) {
        Objects.requireNonNull(remappingFunction);
        V oldValue;
        if ((oldValue = get(key)) != null) {
            V newValue = remappingFunction.apply(key, oldValue);
            if (newValue != null) {
                put(key, newValue);
                return newValue;
            } else {
                remove(key);
                return null;
            }
        } else {
            return null;
        }
    }

    
    default V compute(K key,
            BiFunction<? super K, ? super V, ? extends V> remappingFunction) {
        Objects.requireNonNull(remappingFunction);
        V oldValue = get(key);

        V newValue = remappingFunction.apply(key, oldValue);
        if (newValue == null) {
            // delete mapping
            if (oldValue != null || containsKey(key)) {
                // something to remove
                remove(key);
                return null;
            } else {
                // nothing to do. Leave things as they were.
                return null;
            }
        } else {
            // add or replace old mapping
            put(key, newValue);
            return newValue;
        }
    }

   
    default V merge(K key, V value,
            BiFunction<? super V, ? super V, ? extends V> remappingFunction) {
        Objects.requireNonNull(remappingFunction);
        Objects.requireNonNull(value);
        V oldValue = get(key);
        V newValue = (oldValue == null) ? value :
                   remappingFunction.apply(oldValue, value);
        if(newValue == null) {
            remove(key);
        } else {
            put(key, newValue);
        }
        return newValue;
    }
}

对比下Vector、ArrayList、LinkedList之前有何区别。

Vector

• Vector是Java早期提供的线程安全动态数组，和ArrayList之间在扩容方面有很多的区别，Vector是扩容2倍，而ArrayList扩容1.5倍。

ArrayList

• ArrayList平时开发过程中使用最多的，是一个线程不安全的动态数组。所以性能上相对Vector好很多。

LinkedList

• 它是一个链表，对比ArrayList和Vector不需要扩容。但没有实现RandomAccess 接口。RandomAccess的实现，则尽量用for(int i = 0; i < size; i++) 来遍历而不要用Iterator迭代器来遍历。

ArrayList VS linkedList

• Array （数组）是基于索引(index)的数据结构，它使用索引在数组中搜索和读取数据是很快的。

• Array获取数据的时间复杂度是O(1),但是要删除数据却是开销很大，因为这需要重排数组中的所有数据, (因为删除数据以后, 需要把后面所有的数据前移)

// 数组初始化必须指定初始化的长度, 否则报错
int[] a = new int[4];//推介使用int[] 这种方式初始化 
int c[] = {23,43,56,78};//长度：4，索引范围：[0,3]

• ArrayList 是用一个可扩容的数组来实现的 (re-sizing array)；

• LinkedList 是用 doubly-linked list 来实现的。

• 数组和链表之间最大的区别就是数组是可以随机访问的（random access）。

  • 这个特点造成了在数组里可以通过下标用 O(1) 的时间拿到任何位置的数，而链表则做不到，只能从头开始逐个遍历。

ArrayList vs Vector

• Vector 是线程安全的，而 ArrayList 是线程不安全的；

• 扩容时扩多少的区别，文邹邹的说法就是 data growth methods不同，

1. • Vector 默认是扩大至 2 倍；
   • ArrayList 默认是扩大至 1.5 倍。

• Vector 和 ArrayList 一样，也是继承自 java.util.AbstractList，底层也是用数组来实现的。

HashMap加载因子为什么是 0.75？

• 加载因子也叫扩容因子或负载因子，用来判断什么时候进行扩容的，假如加载因子是 0.5，HashMap 的初始化容量是 16，那么当 HashMap 中有 16*0.5=8 个元素时，HashMap 就会进行扩容。

• 那加载因子为什么是 0.75 而不是 0.5 或者 1.0 呢？

  • 这其实是出于容量和性能之间平衡的结果：

  • 当加载因子设置比较大的时候，扩容的门槛就被提高了，扩容发生的频率比较低，占用的空间会比较小，但此时发生 Hash 冲突的几率就会提升，因此需要更复杂的数据结构来存储元素，这样对元素的操作时间就会增加，运行效率也会因此降低；

  • 而当加载因子值比较小的时候，扩容的门槛会比较低，因此会占用更多的空间，此时元素的存储就比较稀疏，发生哈希冲突的可能性就比较小，因此操作性能会比较高。

• 所以综合了以上情况就取了一个 0.5 到 1.0 的平均数 0.75 作为加载因子。

当有哈希冲突时，HashMap 是如何查找并确认元素的？

• 当哈希冲突时我们需要通过判断 key 值是否相等，才确认此元素是不是我们想要的元素。

为什么改 equals() 一定要改 hashCode()？

首先基于一个假设：任何两个 object 的 hashCode 都是不同的。也就是 hash function 是有效的。

• 那么在这个条件下，有两个 object 是相等的，那如果不重写 hashCode()，算出来的哈希值都不一样，就会去到不同的 buckets 了，就迷失在茫茫人海中了，再也无法相认，就和 equals() 条件矛盾了，证毕。
  • hashCode() 决定了 key 放在这个桶里的编号，也就是在数组里的 index；
  • equals() 是用来比较两个 object 是否相同的。

HashMap和HashTable的区别?

• 两者父类不同

• HashMap是继承自AbstractMap类，而Hashtable是继承自Dictionary类。不过它们都实现了同时实现了map、Cloneable（可复制）、Serializable（可序列化）这三个接口。

• 对外提供的接口不同

  • Hashtable比HashMap多提供了elments() 和contains() 两个方法。elments() 方法继承自Hashtable的父类Dictionnary。elements() 方法用于返回此Hashtable中的value的枚举。contains()方法判断该Hashtable是否包含传入的value。它的作用与containsValue()一致。事实上，contansValue() 就只是调用了一下contains() 方法。

• null支持不同

  • Hashtable：key和value都不能为null。

  • HashMap：key可以为null，但是这样的key只能有一个，因为必须保证key的唯一性；可以有多个key

    值对应的value为null。

• 线程安全不同

  • HashMap是线程不安全的，在多线程并发的环境下，可能会产生死锁等问题，因此需要开发人员自己处理多线程的安全问题。

  • Hashtable是线程安全的，它的每个方法上都有synchronized 关键字，因此可直接用于多线程中。

  • 虽然HashMap是线程不安全的，但是它的效率远远高于Hashtable，这样设计是合理的，因为大部分的使用场景都是单线程。当需要多线程操作的时候可以使用线程安全的ConcurrentHashMap。

如何解决哈希冲突？

一般来说哈希冲突有两大类解决方式：

• Separate chaining

• Open addressing

• Java 中采用的是第一种 Separate chaining，即在发生碰撞的那个桶后面再加一条“链”来存储。

  • JDK1.6 和 1.7 是用链表存储的，这样如果碰撞很多的话，就变成了在链表上的查找，worst case 就是 O(n)；
  • JDK 1.8 进行了优化，当链表长度较大时（超过 8），会采用红黑树来存储，这样大大提高了查找效率。

• 第二种方法 open addressing 也是非常重要的思想，因为在真实的分布式系统里，有很多地方会用到 hash 的思想但又不适合用 seprate chaining。

  • 这种方法是顺序查找，如果这个桶里已经被占了，那就按照“某种方式”继续找下一个没有被占的桶，直到找到第一个空的。

Collection vs Collections

• Collection集合接口
• Collections是工具类,提供了一些静态方法。