JAVA集合框架專題
一、Java集合框架概述
集合可以看作是一種容器，用來儲存物件資訊。所有集合類都位於java.util包下，但支援多執行緒的集合類位於java.util.concurrent包下。
陣列與集合的區別如下：
（1）陣列長度不可變化而且無法儲存具有對映關係的資料；集合類用於儲存數量不確定的資料，以及儲存具有對映關係的資料。
（2）陣列元素既可以是基本型別的值，也可以是物件；集合只能儲存物件。
Java集合類主要由兩個根介面Collection和Map派生出來的，Collection派生出了三個子介面：List、Set、Queue（Java5新增的佇列），因此Java集合大致也可分成List、Set、Queue、Map四種介面體系，（注意：Map不是Collection的子介面）。
其中List代表了有序可重複集合，可直接根據元素的索引來訪問；Set代表無序不可重複集合，只能根據元素本身來訪問；Queue是佇列集合；Map代表的是儲存key-value對的集合，可根據元素的key來訪問value。
上圖中淡綠色背景覆蓋的是集合體系中常用的實現類，分別是ArrayList、LinkedList、ArrayQueue、HashSet、TreeSet、HashMap、TreeMap等實現類。
二、Java集合常見介面及實現類
1. Collection介面常見方法（來源於Java API）
2. Set集合
Set集合與Collection的方法相同，由於Set集合不允許儲存相同的元素，所以如果把兩個相同元素新增到同一個Set集合，則新增操作失敗，新元素不會被加入，add()方法返回false。為了幫助理解，請看下面程式碼示例：
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");//新增不進去
System.out.println("集合中元素個數："+set.size());
System.out.println("集合中元素為："+set.toString());
}
}執行結果如下：
集合中元素個數：2
集合中元素為：[hello world,hello 冰湖一角]
分析：由於String類中重寫了hashCode()和equals()方法，用來比較指向的字串物件所儲存的字串是否相等。所以這裡的第二個"hello 冰湖一角"是加不進去的。
下面著重介紹Set集合幾個常用實現類：
（1）HashSet類
HashSet是Set集合最常用實現類，是其經典實現。HashSet是按照hash演算法來儲存元素的，因此具有很好的存取和查詢效能。
HashSet具有如下特點：
- 不能保證元素的順序。
- HashSet不是執行緒同步的，如果多執行緒操作HashSet集合，則應通過程式碼來保證其同步。
- 集合元素值可以是null。
HashSet儲存原理如下：
當向HashSet集合儲存一個元素時，HashSet會呼叫該物件的hashCode()方法得到其hashCode值，然後根據hashCode值決定該物件的儲存位置。HashSet集合判斷兩個元素相等的標準是(1)兩個物件通過equals()方法比較返回true；(2)兩個物件的hashCode()方法返回值相等。因此，如果(1)和(2)有一個不滿足條件，則認為這兩個物件不相等，可以新增成功。如果兩個物件的hashCode()方法返回值相等，但是兩個物件通過equals()方法比較返回false，HashSet會以鏈式結構將兩個物件儲存在同一位置，這將導致效能下降，因此在編碼時應避免出現這種情況。
HashSet查詢原理如下：
基於HashSet以上的儲存原理，在查詢元素時，HashSet先計算元素的HashCode值（也就是呼叫物件的hashCode方法的返回值），然後直接到hashCode值對應的位置去取出元素即可，這就是HashSet速度很快的原因。
重寫hashCode()方法的基本原則如下：
- 在程式執行過程中，同一個物件的hashCode()方法返回值應相同。
- 當兩個物件通過equals()方法比較返回true時，這兩個物件的hashCode()方法返回值應該相等。
- 物件中用作equals()方法比較標準的例項變數，都應該用於計算hashCode值。
（2）LinkedHashSet類
LinkedHashSet是HashSet的一個子類，具有HashSet的特性，也是根據元素的hashCode值來決定元素的儲存位置。但它使用連結串列維護元素的次序，元素的順序與新增順序一致。由於LinkedHashSet需要維護元素的插入順序，因此效能略低於HashSet，但在迭代訪問Set裡的全部元素時由很好的效能。
（3）TreeSet類
TreeSet時SortedSet介面的實現類，TreeSet可以保證元素處於排序狀態，它採用紅黑樹的資料結構來儲存集合元素。TreeSet支援兩種排序方法：自然排序和定製排序，預設採用自然排序。
- 自然排序
TreeSet會呼叫集合元素的compareTo(Object obj)方法來比較元素的大小關係，然後將元素按照升序排列，這就是自然排序。如果試圖將一個物件新增到TreeSet集合中，則該物件必須實現Comparable介面，否則會丟擲異常。當一個物件呼叫方法與另一個物件比較時，例如obj1.compareTo(obj2)，如果該方法返回0，則兩個物件相等；如果返回一個正數，則obj1大於obj2；如果返回一個負數，則obj1小於obj2。
Java常用類中已經實現了Comparable介面的類有以下幾個：
- BigDecimal、BigDecimal以及所有數值型對應的包裝類：按照它們對應的數值大小進行比較。
- Charchter：按照字元的unicode值進行比較。
- Boolean：true對應的包裝類例項大於false對應的包裝類例項。
- String：按照字串中的字元的unicode值進行比較。
- Date、Time：後面的時間、日期比前面的時間、日期大。
對於TreeSet集合而言，它判斷兩個物件是否相等的標準是：兩個物件通過compareTo(Object obj)方法比較是否返回0，如果返回0則相等。
- 定製排序
想要實現定製排序，需要在建立TreeSet集合物件時，提供一個Comparator物件與該TreeSet集合關聯，由Comparator物件負責集合元素的排序邏輯。
綜上：自然排序實現的是Comparable介面，定製排序實現的是Comparator介面。（具體程式碼實現會在後續章節中講解）
（4）EnumSet類
EnumSet是一個專為列舉類設計的集合類，不允許新增null值。EnumSet的集合元素也是有序的，它以列舉值在Enum類內的定義順序來決定集合元素的順序。
（5）各Set實現類的效能分析
HashSet的效能比TreeSet的效能好（特別是新增，查詢元素時），因為TreeSet需要額外的紅黑樹演算法維護元素的次序，如果需要一個保持排序的Set時才用TreeSet，否則應該使用HashSet。
LinkedHashSet是HashSet的子類，由於需要連結串列維護元素的順序，所以插入和刪除操作比HashSet要慢，但遍歷比HashSet快。
EnumSet是所有Set實現類中效能最好的，但它只能 儲存同一個列舉類的列舉值作為集合元素。
以上幾個Set實現類都是執行緒不安全的，如果多執行緒訪問，必須手動保證集合的同步性，這在後面的章節中會講到。
3. List集合
List集合代表一個有序、可重複集合，集合中每個元素都有其對應的順序索引。List集合預設按照元素的新增順序設定元素的索引，可以通過索引（類似陣列的下標）來訪問指定位置的集合元素。
實現List介面的集合主要有：ArrayList、LinkedList、Vector、Stack。
（1）ArrayList
ArrayList是一個動態陣列，也是我們最常用的集合，是List類的典型實現。它允許任何符合規則的元素插入甚至包括null。每一個ArrayList都有一個初始容量（10），該容量代表了陣列的大小。隨著容器中的元素不斷增加，容器的大小也會隨著增加。在每次向容器中增加元素的同時都會進行容量檢查，當快溢位時，就會進行擴容操作。所以如果我們明確所插入元素的多少，最好指定一個初始容量值，避免過多的進行擴容操作而浪費時間、效率。
ArrayList擅長於隨機訪問。同時ArrayList是非同步的。
（2）LinkedList
LinkedList是List介面的另一個實現，除了可以根據索引訪問集合元素外，LinkedList還實現了Deque介面，可以當作雙端佇列來使用，也就是說，既可以當作“棧”使用，又可以當作佇列使用。
LinkedList的實現機制與ArrayList的實現機制完全不同，ArrayLiat內部以陣列的形式儲存集合的元素，所以隨機訪問集合元素有較好的效能；LinkedList內部以連結串列的形式儲存集合中的元素，所以隨機訪問集合中的元素效能較差，但在插入刪除元素時有較好的效能。
（3）Vector
與ArrayList相似，但是Vector是同步的。所以說Vector是執行緒安全的動態陣列。它的操作與ArrayList幾乎一樣。
（4）Stack
Stack繼承自Vector，實現一個後進先出的堆疊。Stack提供5個額外的方法使得Vector得以被當作堆疊使用。基本的push和pop 方法，還有peek方法得到棧頂的元素，empty方法測試堆疊是否為空，search方法檢測一個元素在堆疊中的位置。Stack剛建立後是空棧。
（5）Iterator介面和ListIterator介面
Iterator是一個介面，它是集合的迭代器。集合可以通過Iterator去遍歷集合中的元素。Iterator提供的API介面如下：
- boolean hasNext()：判斷集合裡是否存在下一個元素。如果有，hasNext()方法返回 true。
- Object next()：返回集合裡下一個元素。
- void remove()：刪除集合裡上一次next方法返回的元素。
ListIterator介面繼承Iterator介面，提供了專門操作List的方法。ListIterator介面在Iterator介面的基礎上增加了以下幾個方法：
- boolean hasPrevious()：判斷集合裡是否存在上一個元素。如果有，該方法返回 true。
- Object previous()：返回集合裡上一個元素。
- void add(Object o)：在指定位置插入一個元素。
以上兩個介面相比較，不難發現，ListIterator增加了向前迭代的功能（Iterator只能向後迭代），ListIterator還可以通過add()方法向List集合中新增元素（Iterator只能刪除元素）。
4. Map集合
Map介面採用鍵值對Map<K,V>的儲存方式，儲存具有對映關係的資料，因此，Map集合裡儲存兩組值，一組值用於儲存Map裡的key，另外一組值用於儲存Map裡的value，key和value可以是任意引用型別的資料。key值不允許重複，可以為null。如果新增key-value對時Map中已經有重複的key，則新新增的value會覆蓋該key原來對應的value。常用實現類有HashMap、LinkedHashMap、TreeMap等。
Map常見方法（來源於API）如下：
（1）HashMap與Hashtable
HashMap與Hashtable是Map介面的兩個典型實現，它們之間的關係完全類似於ArrayList與Vertor。HashTable是一個古老的Map實現類，它提供的方法比較繁瑣，目前基本不用了，HashMap與Hashtable主要存在以下兩個典型區別：
- HashMap是執行緒不安全，HashTable是執行緒安全的。
- HashMap可以使用null值最為key或value；Hashtable不允許使用null值作為key和value，如果把null放進HashTable中，將會發生空指標異常。
為了成功的在HashMap和Hashtable中儲存和獲取物件，用作key的物件必須實現hashCode()方法和equals()方法。
HashMap工作原理如下：
HashMap基於hashing原理，通過put()和get()方法儲存和獲取物件。當我們將鍵值對傳遞給put()方法時，它呼叫建物件的hashCode()方法來計算hashCode值，然後找到bucket位置來儲存值物件。當獲取物件時，通過建物件的equals()方法找到正確的鍵值對，然後返回物件。HashMap使用連結串列來解決碰撞問題，當發生碰撞了，物件將會儲存在連結串列的下一個節點中。
（2）LinkedHashMap實現類
LinkedHashMap使用雙向連結串列來維護key-value對的次序（其實只需要考慮key的次序即可），該連結串列負責維護Map的迭代順序，與插入順序一致，因此效能比HashMap低，但在迭代訪問Map裡的全部元素時有較好的效能。
（3）Properties
Properties類時Hashtable類的子類，它相當於一個key、value都是String型別的Map，主要用於讀取配置檔案。
（4）TreeMap實現類
TreeMap是SortedMap的實現類，是一個紅黑樹的資料結構，每個key-value對作為紅黑樹的一個節點。TreeMap儲存key-value對時，需要根據key對節點進行排序。TreeMap也有兩種排序方式：
- 自然排序：TreeMap的所有key必須實現Comparable介面，而且所有的key應該是同一個類的物件，否則會丟擲ClassCastException。
- 定製排序：建立TreeMap時，傳入一個Comparator物件，該物件負責對TreeMap中的所有key進行排序。
（5）各Map實現類的效能分析
- HashMap通常比Hashtable（古老的執行緒安全的集合）要快
- TreeMap通常比HashMap、Hashtable要慢，因為TreeMap底層採用紅黑樹來管理key-value。
- LinkedHashMap比HashMap慢一點，因為它需要維護連結串列來爆出key-value的插入順序。
以上就是JAVA集合框架專題的詳細內容，更多關於JAVA集合框架的資料請關注我們其它相關文章！