java中的集合

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

java集合概述

Java 集合可分为 Collection 和 Map 两种体系

• Collection接口：单列数据，定义了存取一组对象的方法的集合
  • List：元素有序(指的是存储时，与存放顺序保持一致)、可重复的集合
  • Set：元素无序、不可重复的集合
    
• Map接口：双列数据，保存具有映射关系“key-value对”的集合
  

ArrayList和LinkedList的异同？
答：二者都线程不安全，相对线程安全的Vector，执行效率高。此外，ArrayList是实现了基于动态数组的数据结构，LinkedList基于链表的数据结构。对于随机访问get和set，ArrayList优于LinkedList，因为LinkedList要移动指针。对于新增和删除操作add(特指插入)和remove，LinkedList比较占优势，因为ArrayList要移动数据。

ArrayList和Vector的区别？
Vector和ArrayList几乎是完全相同的,唯一的区别在于Vector是同步类(synchronized)，属于强同步类。因此开销就比ArrayList要大，访问要慢。正常情况下,大多数的Java程序员使用ArrayList而不是Vector,因为同步完全可以由程序员自己来控制。Vector每次扩容请求其大小的2倍空间，而ArrayList是1.5倍。Vector还有一个子类Stack。

Collection子接口：Set接口

• Set接口描述

  • Set接口是Collection的子接口，set接口没有提供额外的方法
  • Set 集合不允许包含相同的元素，如果试把两个相同的元素加入同一个Set 集合中，则添加操作失败。
  • Set 判断两个对象是否相同不是使用 == 运算符，而是根据 equals() 方法

• Set实现类之一：HashSet

  • HashSet 是 Set 接口的典型实现，大多数时候使用 Set 集合时都使用这个实现类。
  • HashSet 按 Hash 算法来存储集合中的元素，因此具有很好的存取、查找、删除性能。
  • HashSet 具有以下特点：不能保证元素的排列顺序、HashSet 不是线程安全的、集合元素可以是 null
  • HashSet 集合判断两个元素相等的标准：两个对象通过 hashCode() 方法比较相等，并且两个对象的 equals() 方法返回值也相等。
  • 对于存放在Set容器中的对象，对应的类一定要重写equals()和hashCode(Object obj)方法，以实现对象相等规则。即：“相等的对象必须具有相等的散列码”。

• 向HashSet中添加元素的过程

  • 当向 HashSet 集合中存入一个元素时，HashSet 会调用该对象的 hashCode() 方法来得到该对象的 hashCode 值，然后根据 hashCode 值，通过某种散列函数决定该对象在 HashSet 底层数组中的存储位置。（这个散列函数会与底层数组的长度相计算得到在数组中的下标，并且这种散列函数计算还尽可能保证能均匀存储元素，越是散列分布，该散列函数设计的越好）
  • 如果两个元素的hashCode()值相等，会再继续调用equals方法，如果equals方法结果为true，添加失败；如果为false，那么会保存该元素，但是该数组的位置已经有元素了，那么会通过链表的方式继续链接。
  • 如果两个元素的 equals() 方法返回 true，但它们的 hashCode() 返回值不相等，hashSet 将会把它们存储在不同的位置，但依然可以添加成功。

• 重写 equals() 方法的基本原则

  • 当一个类有自己特有的“逻辑相等”概念,当改写equals()的时候，总是要改写hashCode()，根据一个类的equals方法（改写后），两个截然不同的实例有可能在逻辑上是相等的，但是，根据Object.hashCode()方法，它们仅仅是两个对象。因此，违反了“相等的对象必须具有相等的散列码”。
  • 结论：复写equals方法的时候一般都需要同时复写hashCode方法。通常参与计算hashCode的对象的属性也应该参与到equals()中进行计算。

• Set实现类之二：LinkedHashSet

  • LinkedHashSet 是 HashSet 的子类
  • LinkedHashSet 根据元素的 hashCode 值来决定元素的存储位置，但它同时使用双向链表维护元素的次序，这使得元素看起来是以插入顺序保存的。
  • LinkedHashSet插入性能略低于 HashSet，但在迭代访问 Set 里的全部元素时有很好的性能。
  • LinkedHashSet 不允许集合元素重复。
    

• Set实现类之三：TreeSet

  • TreeSet 是 SortedSet 接口的实现类，TreeSet 可以确保集合元素处于排序状态。
  • TreeSet底层使用红黑树结构存储数据
  • TreeSet 两种排序方法：自然排序和定制排序。默认情况下，TreeSet 采用自然排序。

• 排 序—自然排序

  • 自然排序：TreeSet 会调用集合元素的 compareTo(Object obj) 方法来比较元素之间的大小关系，然后将集合元素按升序(默认情况)排列。
  • 如果试图把一个对象添加到 TreeSet 时，则该对象的类必须实现 Comparable 接口。实现 Comparable 的类必须实现 compareTo(Object obj) 方法，两个对象即通过compareTo(Object obj) 方法的返回值来比较大小。
  • Comparable 的典型实现：
    • BigDecimal、BigInteger 以及所有的数值型对应的包装类：按它们对应的数值大小进行比较
    • Character：按字符的 unicode值来进行比较
    • Boolean：true 对应的包装类实例大于 false 对应的包装类实例
    • String：按字符串中字符的 unicode 值进行比较
    • Date、Time：后边的时间、日期比前面的时间、日期大
  • 向 TreeSet 中添加元素时，只有第一个元素无须比较compareTo()方法，后面添加的所有元素都会调用compareTo()方法进行比较。
  • 因为只有相同类的两个实例才会比较大小，所以向 TreeSet 中添加的应该是同一个类的对象。
  • 对于 TreeSet 集合而言，它判断两个对象是否相等的唯一标准是：两个对象通过 compareTo(Object obj) 方法比较返回值。
  • 当需要把一个对象放入 TreeSet 中，重写该对象对应的 equals() 方法时，应保证该方法与 compareTo(Object obj) 方法有一致的结果：如果两个对象通过equals() 方法比较返回 true，则通过 compareTo(Object obj) 方法比较应返回 0。否则，让人难以理解。

• 排 序—定制排序

  • TreeSet的自然排序要求元素所属的类实现Comparable接口，如果元素所属的类没有实现Comparable接口，或不希望按照升序(默认情况)的方式排列元素或希望按照其它属性大小进行排序，则考虑使用定制排序。定制排序，通过Comparator接口来实现。需要重写compare(T o1,T o2)方法。
  • 利用int compare(T o1,T o2)方法，比较o1和o2的大小：如果方法返回正整数，则表示o1大于o2；如果返回0，表示相等；返回负整数，表示o1小于o2。
  • 要实现定制排序，需要将实现Comparator接口的实例作为形参传递给TreeSet的构造器。
  • 此时，仍然只能向TreeSet中添加类型相同的对象。否则发生ClassCastException异常。
  • 使用定制排序判断两个元素相等的标准是：通过Comparator比较两个元素返回了0。

Map接口

• Map接口概述
  • Map与Collection并列存在。用于保存具有映射关系的数据:key-value
  • Map 中的 key 和 value 都可以是任何引用类型的数据
  • Map 中的 key 用Set来存放，不允许重复，即同一个 Map 对象所对应的类，须重写 hashCode()和equals() 方法
  • 常用String类作为Map的“键”
  • key 和 value 之间存在单向一对一关系，即通过指定的 key 总能找到唯一的、确定的 value
  • Map接口的常用实现类：HashMap、TreeMap、LinkedHashMap和Properties。其中，HashMap是 Map 接口使用频率最高的实现类

Map map = new HashMap();
//map.put(..,..)省略
System.out.println("map的所有key:");
Set keys = map.keySet();// HashSet
for (Object key : keys) { 
   
	System.out.println(key + "->" + map.get(key));
}
System.out.println("map的所有的value：");
Collection values = map.values();
Iterator iter = values.iterator();
while (iter.hasNext()) { 
   
	System.out.println(iter.next());
}
System.out.println("map所有的映射关系：");
// 映射关系的类型是Map.Entry类型，它是Map接口的内部接口
Set mappings = map.entrySet();
for (Object mapping : mappings) { 
   
	Map.Entry entry = (Map.Entry) mapping;
	System.out.println("key是：" + entry.getKey() + "，value是：" + entry.getValue());
}

• Map实现类之一：HashMap

  • HashMap是 Map 接口使用频率最高的实现类。
  • 允许使用null键和null值，与HashSet一样，不保证映射的顺序。
  • 所有的key构成的集合是Set:无序的、不可重复的。所以，key所在的类要重写：equals()和hashCode()
  • 所有的value构成的集合是Collection:无序的、可以重复的。所以，value所在的类要重写：equals()
  • 一个key-value构成一个entry
  • 所有的entry构成的集合是Set:无序的、不可重复的
  • HashMap 判断两个 key 相等的标准是：两个 key 通过 equals() 方法返回 true，hashCode 值也相等。
  • HashMap 判断两个 value相等的标准是：两个 value 通过 equals() 方法返回 true。

• HashMap的存储结构

  • JDK 7及以前版本：HashMap是数组+链表结构(即为链地址法)
  • JDK 8版本发布以后：HashMap是数组+链表+红黑树实现。
    
    

• HashMap源码中的重要常量

  • DEFAULT_INITIAL_CAPACITY : HashMap的默认容量，16
  • MAXIMUM_CAPACITY ： HashMap的最大支持容量，2^30
  • DEFAULT_LOAD_FACTOR：HashMap的默认加载因子
  • TREEIFY_THRESHOLD：Bucket中链表长度大于该默认值，转化为红黑树
  • UNTREEIFY_THRESHOLD：Bucket中红黑树存储的Node小于该默认值，转化为链表
  • MIN_TREEIFY_CAPACITY：桶中的Node被树化时最小的hash表容量。（当桶中Node的数量大到需要变红黑树时，若hash表容量小于MIN_TREEIFY_CAPACITY时，此时应执行resize扩容操作这个MIN_TREEIFY_CAPACITY的值至少是TREEIFY_THRESHOLD的4倍。）
  • table：存储元素的数组，总是2的n次幂
  • entrySet：存储具体元素的集
  • size：HashMap中存储的键值对的数量
  • modCount：HashMap扩容和结构改变的次数。
  • threshold：扩容的临界值，=容量*填充因子
  • loadFactor：填充因子

• HashMap的存储结构：JDK 1.8之前

  • HashMap的内部存储结构其实是数组和链表的结合。当实例化一个HashMap时，系统会创建一个长度为Capacity的Entry数组，这个长度在哈希表中被称为容量(Capacity)，在这个数组中可以存放元素的位置我们称之为“桶”(bucket)，每个bucket都有自己的索引，系统可以根据索引快速的查找bucket中的元素。
  • 每个bucket中存储一个元素，即一个Entry对象，但每一个Entry对象可以带一个引用变量，用于指向下一个元素，因此，在一个桶中，就有可能生成一个Entry链。而且新添加的元素作为链表的head。

• HashMap添加元素的过程 向HashMap中添加entry1(key，value)，

  • 首先计算entry1中key的哈希值(根据key所在类的hashCode()计算得到)，此哈希值经过处理以后，得到在底层Entry[]数组中要存储的位置i。如果位置i上没有元素，则entry1直接添加成功。
  • 如果位置i上已经存在entry2(或还有链表存在的entry3，entry4)，则需要通过循环的方法，依次
    比较entry1中key和其他的entry。如果彼此hash值不同，则直接添加成功。
  • 如果hash值相同，继续比较二者是否equals。如果返回值为true，则使用entry1的value去替换equals为true的entry的value；如果遍历一遍以后，发现所有的equals返回都为false,则entry1仍可添加成功。entry1指向原有的entry元素。
    

• HashMap的扩容：
  当HashMap中的元素越来越多的时候，hash冲突的几率也就越来越高，因为数组的长度是固定的。所以为了提高查询的效率，就要对HashMap的数组进行扩容，而在HashMap数组扩容之后，最消耗性能的点就出现了：原数组中的数据必须重新计算其在新数组中的位置，并放进去，这就是resize。

• HashMap什么时候进行扩容呢？
  当HashMap中的元素个数超过数组大小(数组总大小length,不是数组中个数size)*loadFactor 时 ， 就 会 进 行 数 组 扩 容 ， loadFactor 的默认 值 (DEFAULT_LOAD_FACTOR)为0.75，这是一个折中的取值。也就是说，默认情况下，数组大小(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)为16，那么当HashMap中元素个数超过16*0.75=12（这个值就是代码中的threshold值，也叫做临界值）的时候，就把数组的大小扩展为 2*16=32，即扩大一倍，然后重新计算每个元素在数组中的位置，而这是一个非常消耗性能的操作，所以如果我们已经预知HashMap中元素的个数，那么预设元素的个数能够有效的提高HashMap的性能。

• HashMap的存储结构：JDK 1.8

  • HashMap的内部存储结构其实是数组+链表+树的结合。当实例化一个HashMap时，会初始化initialCapacity和loadFactor，在put第一对映射关系时，系统会创建一个长度为initialCapacity的Node数组，这个长度在哈希表中被称为容量(Capacity)，在这个数组中可以存放元素的位置我们称之为“桶”(bucket)，每个bucket都有自己的索引，系统可以根据索引快速的查找bucket中的元素。
  • 每个bucket中存储一个元素，即一个Node对象，但每一个Node对象可以带一个引用变量next，用于指向下一个元素，因此，在一个桶中，就有可能生成一个Node链。也可能是一个一个TreeNode对象，每一个TreeNode对象可以有两个叶子结点left和right，因此，在一个桶中，就有可能生成一个TreeNode树。而新添加的元素作为链表的last，或树的叶子结点。

• HashMap什么时候进行扩容和树形化？

  • 当HashMap中的元素个数超过数组大小(数组总大小length,不是数组中个数size)loadFactor 时 ， 就会进行数组扩容 ， loadFactor 的默认 值 (DEFAULT_LOAD_FACTOR)为0.75，这是一个折中的取值。也就是说，默认情况下，数组大小(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)为16，那么当HashMap中元素个数超过160.75=12（这个值就是代码中的threshold值，也叫做临界值）的时候，就把数组的大小扩展为 2*16=32，即扩大一倍，然后重新计算每个元素在数组中的位置，而这是一个非常消耗性能的操作，所以如果我们已经预知HashMap中元素的个数，那么预设元素的个数能够有效的提高HashMap的性能。
  • 当HashMap中的其中一个链的对象个数如果达到了8个，此时如果capacity没有达到64，那么HashMap会先扩容解决，如果已经达到了64，那么这个链会变成树，结点类型由Node变成TreeNode类型。当然，如果当映射关系被移除后，下次resize方法时判断树的结点个数低于6个，也会把树再转为链表。

• 关于映射关系的key是否可以修改？answer：不要修改
  映射关系存储到HashMap中会存储key的hash值，这样就不用在每次查找时重新计算每一个Entry或Node（TreeNode）的hash值了，因此如果已经put到Map中的映射关系，再修改key的属性，而这个属性又参与hashcode值的计算，那么会导致匹配不上。

• 总结：JDK1.8相较于之前的变化：

  • 1.HashMap map = new HashMap();//默认情况下，先不创建长度为16的数组
  • 2.当首次调用map.put()时，再创建长度为16的数组
  • 3.数组为Node类型，在jdk7中称为Entry类型
  • 4.形成链表结构时，新添加的key-value对在链表的尾部（七上八下）
  • 5.当数组指定索引位置的链表长度>8时，且map中的数组的长度> 64时，此索引位置上的所有key-value对使用红黑树进行存储。

• 谈谈你对HashMap中put/get方法的认识？如果了解再谈谈HashMap的扩容机制？默认大小是多少？什么是负载因子(或填充比)？什么是吞吐临界值(或阈值、threshold)？

• 面试题：负载因子值的大小，对HashMap有什么影响?

  • 负载因子的大小决定了HashMap的数据密度。
  • 负载因子越大密度越大，发生碰撞的几率越高，数组中的链表越容易长,造成查询或插入时的比较次数增多，性能会下降。
  • 负载因子越小，就越容易触发扩容，数据密度也越小，意味着发生碰撞的几率越小，数组中的链表也就越短，查询和插入时比较的次数也越小，性能会更高。但是会浪费一定的内容空间。而且经常扩容也会影响性能，建议初始化预设大一点的空间。
  • 按照其他语言的参考及研究经验，会考虑将负载因子设置为0.7~0.75，此时平均检索长度接近于常数。

• Map实现类之二：LinkedHashMap

  • LinkedHashMap 是 HashMap 的子类
  • 在HashMap存储结构的基础上，使用了一对双向链表来记录添加元素的顺序
  • 与LinkedHashSet类似，LinkedHashMap 可以维护 Map 的迭代顺序：迭代顺序与 Key-Value 对的插入顺序一致

//HashMap中的内部类：Node
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> { 
   
	final int hash;
	final K key;
	V value;
	Node<K,V> next; 
}

//LinkedHashMap中的内部类：Entry
static class Entry<K,V> extends HashMap.Node<K,V> { 
   
	Entry<K,V> before, after;
	Entry(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) { 
   
		super(hash, key, value, next);
	} 
}

• Map实现类之三：TreeMap
  • TreeMap存储 Key-Value 对时，需要根据 key-value 对进行排序。TreeMap 可以保证所有的 Key-Value 对处于有序状态。
  • TreeSet底层使用红黑树结构存储数据
  • TreeMap 的 Key 的排序：
    • 自然排序：TreeMap 的所有的 Key 必须实现 Comparable 接口，而且所有的 Key 应该是同一个类的对象，否则将会抛出 ClasssCastException
    • 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。此时不需要 Map 的 Key 实现Comparable 接口
  • TreeMap判断两个key相等的标准：两个key通过compareTo()方法或者compare()方法返回0。
• Map实现类之四：Hashtable
  • Hashtable是个古老的 Map 实现类，JDK1.0就提供了。不同于HashMap，Hashtable是线程安全的。
  • Hashtable实现原理和HashMap相同，功能相同。底层都使用哈希表结构，查询速度快，很多情况下可以互用。
  • 与HashMap不同，Hashtable 不允许使用 null 作为 key 和 value
  • 与HashMap一样，Hashtable 也不能保证其中 Key-Value 对的顺序
  • Hashtable判断两个key相等、两个value相等的标准，与HashMap一致。
• Map实现类之五：Properties
  • Properties 类是 Hashtable 的子类，该对象用于处理属性文件
  • 由于属性文件里的 key、value 都是字符串类型，所以 Properties 里的 key 和 value 都是字符串类型
  • 存取数据时，建议使用setProperty(String key,String value)方法和getProperty(String key)方法

Properties pros = new Properties();
pros.load(new FileInputStream("jdbc.properties"));
String user = pros.getProperty("user");
System.out.println(user);

Collections工具类

• Collections 是一个操作 Set、List 和 Map 等集合的工具类

• Collections 中提供了一系列静态的方法对集合元素进行排序、查询和修改等操作，
  还提供了对集合对象设置不可变、对集合对象实现同步控制等方法

• 排序操作：（均为static方法）

  • reverse(List)：反转 List 中元素的顺序
  • shuffle(List)：对 List 集合元素进行随机排序
  • sort(List)：根据元素的自然顺序对指定 List 集合元素按升序排序
  • sort(List，Comparator)：根据指定的 Comparator 产生的顺序对 List 集合元素进行排序
  • swap(List，int， int)：将指定 list 集合中的 i 处元素和 j 处元素进行交换

• Collections常用方法（查找、替换）

  • Object max(Collection)：根据元素的自然顺序，返回给定集合中的最大元素
  • Object max(Collection，Comparator)：根据 Comparator 指定的顺序，返回给定集合中的最大元素
  • Object min(Collection)
  • Object min(Collection，Comparator)
  • int frequency(Collection，Object)：返回指定集合中指定元素的出现次数
  • void copy(List dest,List src)：将src中的内容复制到dest中 boolean replaceAll(List list，Object oldVal，Object newVal)：使用新值替换List 对象的所有旧值