【集合系列】- 初探 java 集合框架图

实际开发中,经常用到 java 的集合框架,比如 ArrayList 、 LinkedList 、 HashMap 、 LinkedHashMap,几乎经常接触到,虽然用的多,但是对集合的整体框架,基础知识还是不够系统,今天想和大家一起来梳理一下!

01、集合类简介

Java 集合就像一种容器,可以把多个对象(实际上是对象的引用,但习惯上都称对象)“丢进”该容器中。从 Java 5 增加了泛型以后,Java 集合可以记住容器中对象的数据类型,使得编码更加简洁、健壮。

Java 集合大致可以分为两大体系,一个是 Collection,另一个是 Map;

  • Collection :主要由List、Set、Queue接口组成,List代表有序、重复的集合;其中Set代表无序、不可重复的集合;Java 5 又增加了Queue体系集合,代表一种队列集合实现。
  • Map:则代表具有映射关系的键值对集合。

java.util.Collection 下的接口和继承类关系简易结构图:

java.util.Map 下的接口和继承类关系简易结构图:

其中,Java 集合框架中主要封装的是典型的数据结构和算法,如动态数组、双向链表、队列、栈、Set、Map 等。

将集合框架挖掘处理,可以分为以下几个部分

1) 数据结构

List列表、Queue队列、Deque双端队列、Set集合、Map映射

2) 比较器

Comparator比较器、Comparable 排序接口

3) 算法

Collections常用算法类、Arrays静态数组的排序、查找算法

4) 迭代器

Iterator通用迭代器、ListIterator针对 List 特化的迭代器

02、有序列表(List)

List集合的特点就是存取有序,可以存储重复的元素,可以用下标进行元素的操作

List主要实现类:ArrayList、LinkedList、Vector、Stack。

2.1、ArrayList

ArrayList 是一个动态数组结构,支持随机存取,尾部插入删除方便,内部插入删除效率低(因为要移动数组元素);如果内部数组容量不足则自动扩容,因此当数组很大时,效率较低。

2.2、LinkedList

LinkedList 是一个双向链表结构,在任意位置插入删除都很方便,但是不支持随机取值,每次都只能从一端开始遍历,直到找到查询的对象,然后返回;不过,它不像 ArrayList 那样需要进行内存拷贝,因此相对来说效率较高,但是因为存在额外的前驱和后继节点指针,因此占用的内存比 ArrayList 多一些。

2.3、Vector

Vector 也是一个动态数组结构,一个元老级别的类,早在 jdk1.1 就引入进来类,之后在 jdk1.2 里引进 ArrayList,ArrayList 大部分的方法和 Vector 比较相似,两者是不同的,Vector 是允许同步访问的,Vector 中的操作是线程安全的,但是效率低,而 ArrayList 所有的操作都是异步的,执行效率高,但不安全!

关于Vector,现在用的很少了,因为里面的getsetadd等方法都加了synchronized,所以,执行效率会比较低,如果需要在多线程中使用,可以采用下面语句创建 ArrayList 对象

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List<Object> list =Collections.synchronizedList(new ArrayList<Object>());

也可以考虑使用复制容器 java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList进行操作,例如:

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final CopyOnWriteArrayList<Object> cowList = new CopyOnWriteArrayList<String>(Object);

2.4、Stack

Stack 是 Vector 的一个子类,本质也是一个动态数组结构,不同的是,它的数据结构是先进后出,取名叫栈!

关于Stack,现在用的也很少,因为有个ArrayDeque双端队列,可以替代Stack所有的功能,并且执行效率比它高!

03、集(Set)

Set集合的特点:元素不重复,存取无序,无下标;

Set主要实现类:HashSet、LinkedHashSet 和 TreeSet。

3.1、HashSet

HashSet底层是基于 HashMap 的k实现的,元素不可重复,特性同 HashMap。

3.2、LinkedHashSet

LinkedHashSet底层也是基于 LinkedHashMap 的k实现的,一样元素不可重复,特性同 LinkedHashMap。

3.3、TreeSet

同样的,TreeSet 也是基于 TreeMap 的k实现的,同样元素不可重复,特性同 TreeMap;

Set 集合的实现,基本都是基于 Map 中的键做文章,使用 Map 中键不能重复、无序的特性;所以,我们只需要重点关注 Map 的实现即可!

04、队列(Queue)

Queue是一个队列集合,队列通常是指“先进先出”(FIFO)的容器。新元素插入(offer)到队列的尾部,访问元素(poll)操作会返回队列头部的元素。通常,队列不允许随机访问队列中的元素。

Queue主要实现类:ArrayDeque、LinkedList、PriorityQueue。

4.1、ArrayDeque

ArrayQueue是一个基于数组实现的双端队列,可以想象,在队列中存在两个指针,一个指向头部,一个指向尾部,因此它具有“FIFO队列”及“栈”的方法特性。

既然是双端队列,那么既可以先进先出,也可以先进后出,以下是测试例子!

先进先出

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public static void main(String[] args) {
                ArrayDeque<String> queue = new ArrayDeque<>();
        //入队
        queue.offer("AAA");
        queue.offer("BBB");
        queue.offer("CCC");
        System.out.println(queue);
        //获取但不出队
        System.out.println(queue.peek());
        System.out.println(queue);
        //出队
        System.out.println(queue.poll());
        System.out.println(queue);
}

输出结果:

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[AAA, BBB, CCC]
AAA
[AAA, BBB, CCC]
AAA
[BBB, CCC]

先进后出

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public static void main(String[] args) {
                ArrayDeque<String> stack = new ArrayDeque<>();
        //压栈,此时AAA在最下,CCC在最外
        stack.push("AAA");
        stack.push("BBB");
        stack.push("CCC");
        System.out.println(stack);
        //获取最后添加的元素,但不删除
        System.out.println(stack.peek());
        System.out.println(stack);
        //弹出最后添加的元素
        System.out.println(stack.pop());
        System.out.println(stack);
}

输出结果:

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[CCC, BBB, AAA]
CCC
[CCC, BBB, AAA]
CCC
[BBB, AAA]

4.2、LinkedList

LinkedList是List接口的实现类,也是Deque的实现类,底层是一种双向链表的数据结构,在上面咱们也有所介绍,LinkedList可以根据索引来获取元素,增加或删除元素的效率较高,如果查找的话需要遍历整合集合,效率较低,LinkedList同时实现了stack、Queue、PriorityQueue的所有功能。

例子

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public static void main(String[] args) {
                LinkedList<String> ll = new LinkedList<>();
        //入队
        ll.offer("AAA");
        //压栈
        ll.push("BBB");
        //双端的另一端入队
        ll.addFirst("NNN");
        ll.forEach(str -> System.out.println("遍历中:" + str));
        //获取队头
        System.out.println(ll.peekFirst());
        //获取队尾
        System.out.println(ll.peekLast());
        //弹栈
        System.out.println(ll.pop());
        System.out.println(ll);
        //双端的后端出列
        System.out.println(ll.pollLast());
        System.out.println(ll);
}

输出结果:

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遍历中:NNN
遍历中:BBB
遍历中:AAA
NNN
AAA
NNN
[BBB, AAA]
AAA
[BBB]

4.3、PriorityQueue

PriorityQueue也是一个队列的实现类,此实现类中存储的元素排列并不是按照元素添加的顺序进行排列,而是内部会按元素的大小顺序进行排列,是一种能够自动排序的队列。

例子

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public static void main(String[] args) {
        PriorityQueue<Integer> queue1 = new PriorityQueue<>(10);

        System.out.println("处理前的数据");
        Random rand = new Random();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
                Integer num = rand.nextInt(90) + 10;
                System.out.print(num + ", ");
            queue1.offer(num); // 随机两位数
        }

        System.out.println("\n处理后的数据");
        for (int i = 0; i < 10; i++) { // 默认是自然排序 [升序]
            System.out.print(queue1.poll() + ", ");
        }
}

输出结果:

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处理前的数据
36, 23, 24, 11, 12, 26, 79, 96, 14, 73, 
处理后的数据
11, 12, 14, 23, 24, 26, 36, 73, 79, 96, 

05、映射表(Map)

Map是一个双列集合,其中保存的是键值对,键要求保持唯一性,值可以重复。

Map 主要实现类:HashMap、LinkedHashMap、TreeMap、IdentityHashMap、WeakHashMap、Hashtable、Properties。

5.1、HashMap

关于HashMap,相信大家都不陌生,继承自AbstractMap,key 不可重复,因为使用的是哈希表存储元素,所以输入的数据与输出的数据,顺序基本不一致,另外,HashMap最多只允许一条记录的 key 为 null。

5.2、LinkedHashMap

HashMap 的子类,内部使用链表数据结构来记录插入的顺序,使得输入的记录顺序和输出的记录顺序是相同的。LinkedHashMap与HashMap最大的不同处在于,LinkedHashMap输入的记录和输出的记录顺序是相同的!

5.3、TreeMap

能够把它保存的记录根据键排序,默认是按键值的升序排序,也可以指定排序的比较器,当用 Iterator 遍历时,得到的记录是排过序的;如需使用排序的映射,建议使用 TreeMap。TreeMap实际使用的比较少!

5.4、IdentityHashMap

继承自AbstractMap,与HashMap有些不同,在获取元素的时候,通过==代替equals ()来进行判断,比较的是内存地址

get方法源码部分

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public V get(Object key) {
        Object k = maskNull(key);
        Object[] tab = table;
        int len = tab.length;
        int i = hash(k, len);
        while (true) {
            Object item = tab[i];
			//用==比较k和元素是否相等
            if (item == k)
                return (V) tab[i + 1];
            if (item == null)
                return null;
            i = nextKeyIndex(i, len);
        }
}

5.5、WeakHashMap

WeakHashMap继承自AbstractMap,被称为缓存Map,向WeakHashMap中添加元素,再次通过键调用方法获取元素方法时,不一定获取到元素值,因为WeakHashMap 中的 Entry 可能随时被 GC 回收。

5.6、Hashtable

Hashtable,一个元老级的类,键值不能为空,与HashMap不同的是,方法都加了synchronized同步锁,是线程安全的,但是效率上,没有HashMap快!

同时,HashMap 是 HashTable 的轻量级实现,他们都完成了Map 接口,区别在于 HashMap 允许K和V为空,而HashTable不允许K和V为空,由于非线程安全,效率上可能高于 Hashtable。

如果需要在多线程环境下使用HashMap,可以使用如下的同步器来实现或者使用并发工具包中的ConcurrentHashMap

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Map<String, Object> map =Collections.synchronizedMap(new HashMap<>());

5.7、Properties

Properties继承自HashTable,Properties新增了load()和和store()方法,可以直接导入或者将映射写入文件,另外,Properties的键和值都是String类型。

06、比较器

Comparable和Comparator接口都是用来比较大小的,一般在TreeSet、TreeMap接口中使用的比较多,主要用于解决排序问题。

6.1、Comparable

Comparable:对实现它的每个类的对象进行整体排序

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package java.lang;
import java.util.*;

public interface Comparable<T> {
	public int compareTo(T o);
}

若一个类实现了Comparable 接口,实现 Comparable 接口的类的对象的 List 列表 ( 或数组)可以通过 Collections.sort(或 Arrays.sort)进行排序。

此外,实现 Comparable 接口的类的对象 可以用作 “有序映射 ( 如 TreeMap)” 中的键或 “有序集合 (TreeSet)” 中的元素,而不需要指定比较器。

使用例子:

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/**
  * 实体类Person实现Comparable接口
  */
public class Person implements Comparable<Person>{
    private int age;
    private String name;

    public Person(String name, int age){
        this.name = name;
        this.age = age;
    }
	
    @Override
    public int compareTo(Person o){
        return this.age-o.age;
    }
	
    @Override
    public String toString(){
        return name+":"+age;
    }
}

测试

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public static void main(String[] args) {
		Person person1 = new Person("张三",18);
		Person person2 = new Person("李四",17);
		Person person3 = new Person("王五",19);

		List<Person> list = new ArrayList<>();
		list.add(person1);
		list.add(person2);
		list.add(person3);

		System.out.println(list);
		Collections.sort(list);
		System.out.println(list);
}

输出:

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[张三:18, 李四:17, 王五:19]
[李四:17, 张三:18, 王五:19]

6.2、Comparator

Comparator:也是对实现它的每个类的对象进行排序

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package java.util;
import ***;

public interface Comparator<T> {
	int compare(T o1, T o2);
	......
}

如果我们的这个类Person无法修改或者没有继承Comparable接口,我们又要对其进行排序,Comparator就可以派上用场了。

将类Person实现的Comparable接口去掉

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/**
  * 实体类Person
  */
public class Person {
    private int age;
    private String name;
	
	public int getAge() {
        return age;
    }

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

    public Person(String name, int age){
        this.name = name;
        this.age = age;
    }
	
    @Override
    public String toString(){
        return name+":"+age;
    }
}

测试类:

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public static void main(String[] args) {
		Person person1 = new Person("张三",18);
		Person person2 = new Person("李四",17);
		Person person3 = new Person("王五",19);

		List<Person> list = new ArrayList<>();
		list.add(person1);
		list.add(person2);
		list.add(person3);

		System.out.println(list);
		Collections.sort(list, new Comparator<Person>() {
			@Override
			public int compare(Person o1, Person o2) {
				if(o1 == null || o2 == null){
					return 0;
				}
				//o1比o2小,返回负数
				//o1等于o2,等于0
				//o1大于o2,返回正数
				return o1.getAge()-o2.getAge();
			}
		});
		System.out.println(list);
}

输出:

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[张三:18, 李四:17, 王五:19]
[李四:17, 张三:18, 王五:19]

07、常用工具类

7.1、Collections类

java.util.Collections工具类为集合框架提供了很多有用的方法,这些方法都是静态的,在编程中可以直接调用。整个Collections工具类源码差不多有4000行,这里只针对一些典型的方法进行阐述。

7.1.1、addAll

addAll:向指定的集合c中加入特定的一些元素elements

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public static <T> boolean addAll(Collection<? super T> c, T… elements)
7.1.2、binarySearch

binarySearch:利用二分法在指定的集合中查找元素

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#集合元素T实现Comparable接口的方式,进行查询
public static <T> int binarySearch(List<? extends Comparable<? super T>> list, T key)

#元素以外部实现Comparator接口的方式,进行查询
public static <T> int binarySearch(List<? extends T> list, T key, Comparator<? super T> c)
7.1.3、sort
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#集合元素T实现Comparable接口的方式,进行排序
public static <T extends Comparable<? super T>> void sort(List<T> list)

#元素以外部实现Comparator接口的方式,进行排序
public static <T> void sort(List<T> list, Comparator<? super T> c)
7.1.4、shuffle

shuffle:混排,随机打乱原来的顺序,它打乱在一个List中可能有的任何排列的踪迹。

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#方法一
public static void shuffle(List<?> list)

#方法二,指定随机数访问
public static void shuffle(List<?> list, Random rnd)
7.1.5、reverse

reverse:集合排列反转

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#直接反转集合的元素
public static void reverse(List<?> list)

#返回可以使集合反转的比较器Comparator
public static <T> Comparator<T> reverseOrder()

#集合的反转的反转,如果cmp不为null,返回cmp的反转的比较器,如果cmp为null,效果等同于第二个方法.
public static <T> Comparator<T> reverseOrder(Comparator<T> cmp)
7.1.6、synchronized系列

synchronized系列:确保所封装的集合线程安全(强同步)

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#同步Collection接口下的实现类
public static <T> Collection<T> synchronizedCollection(Collection<T> c)

#同步SortedSet接口下的实现类
public static <T> SortedSet<T> synchronizedSortedSet(SortedSet<T> s)

#同步List接口下的实现类
public static <T> List<T> synchronizedList(List<T> list)

#同步Map接口下的实现类
public static <K,V> Map<K,V> synchronizedMap(Map<K,V> m)

#同步SortedMap接口下的实现类
public static <K,V> SortedMap<K,V> synchronizedSortedMap(SortedMap<K,V> m)

7.2、Arrays类

java.util.Arrays工具类也为集合框架提供了很多有用的方法,这些方法都是静态的,在编程中可以直接调用。整个Arrays工具类源码有3000多行,这里只针对一些典型的方法进行阐述。

7.2.1、asList

asList:将一个数组转变成一个List,准确来说是ArrayList

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public static <T> List<T> asList(T... a) {
        return new ArrayList<>(a);
}

注意:这个List是定长的,企图添加或者删除数据都会报错java.lang.UnsupportedOperationException

7.2.2、sort

sort:对数组进行排序,适合byte,char,double,float,int,long,short等基本类型,还有Object类型

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#基本数据类型,例子int类型数组
public static void sort(int[] a)

#Object类型数组
#如果使用Comparable进行排序,Object需要实现Comparable
#如果使用Comparator进行排序,可以使用外部比较方法实现
public static void sort(Object[] a)
7.2.3、binarySearch

binarySearch:通过二分查找法对已排序的数组进行查找。如果数组没有经过Arrays.sort排序,那么检索结果未知。

适合byte,char,double,float,int,long,short等基本类型,还有Object类型和泛型。

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#基本数据类型,例子int类型数组,key为要查询的参数
public static int binarySearch(int[] a, int key)

#Object类型数组,key为要查询的参数
#如果使用Comparable进行排序,Object需要实现Comparable
#如果使用Comparator进行排序,可以使用外部比较方法实现
public static int binarySearch(Object[] a, Object key)
7.2.4、copyOf

copyOf:数组拷贝,底层采用System.arrayCopy(native方法)实现。

适合byte,char,double,float,int,long,short等基本类型,还有泛型数组。

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#基本数据类型,例子int类型数组,newLength新数组长度
public static int[] copyOf(int[] original, int newLength)

#T为泛型数组,newLength新数组长度
public static <T> T[] copyOf(T[] original, int newLength)
7.2.5、copyOfRange

copyOfRange:数组拷贝,指定一定的范围,底层采用System.arrayCopy(native方法)实现。

适合byte,char,double,float,int,long,short等基本类型,还有泛型数组。

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#基本数据类型,例子int类型数组,from:开始位置,to:结束位置
public static int[] copyOfRange(int[] original, int from, int to)

#T为泛型数组,from:开始位置,to:结束位置
public static <T> T[] copyOfRange(T[] original, int from, int to)
7.2.6、equals和deepEquals

equals:判断两个数组的每一个对应的元素是否相等(equals, 对于两个数组的元素a和a2有a==null ? a2==null : a.equals(a2)

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#基本数据类型,例子int类型数组,a为原数组,a2为目标数组
public static boolean equals(int[] a, int[] a2)

#Object数组,a为原数组,a2为目标数组
public static boolean equals(Object[] a, Object[] a2)

deepEquals:主要针对一个数组中的元素还是数组的情况(多维数组比较)

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#Object数组,a1为原数组,a2为目标数组
public static boolean deepEquals(Object[] a1, Object[] a2)
7.2.7、toString和deepToString

toString:将数组转换成字符串,中间用逗号隔开

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#基本数据类型,例子int类型数组,a为数组
public static String toString(int[] a)

#Object数组,a为数组
public static String toString(Object[] a)

deepToString:当数组中又包含数组,就不能单纯的利用Arrays.toString()了,使用此方法将数组转换成字符串

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#Object数组,a为数组
public static String deepToString(Object[] a)

08、迭代器

JCF的迭代器(Iterator)为我们提供了遍历容器中元素的方法。只有容器本身清楚容器里元素的组织方式,因此迭代器只能通过容器本身得到。每个容器都会通过内部类的形式实现自己的迭代器。

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ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();
list.add(new String("a1"));
list.add(new String("a2"));
list.add(new String("a3"));
Iterator<String> it = list.iterator();//得到迭代器
while(it.hasNext()){
    String obj = it.next();//访问元素
    System.out.println(obj);
}

JDK 1.5 引入了增强的for循环,简化了迭代容器时的写法

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//使用增强for迭代
ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();
list.add(new String("a1"));
list.add(new String("a2"));
list.add(new String("a3"));
for(String obj : list){
	//enhanced for statement
    System.out.println(obj);
}

09、总结

以上,主要是对java集合的整体架构进行简单的介绍,如果有理解不当之处,欢迎指正。

10、参考

1、JDK1.7&JDK1.8 源码

2、Otokaze’s Blog - Java Collection框架

3、CSDN - 朱小厮 - Comparable与Comparator浅析

Java Geek Tech wechat
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