Java 集合概览

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

Java Collection API提供了一些列的类和接口来帮助我们存储和管理对象集合。其实Java中的集合工作起来像是一个数组，不过集合的大小是可以动态改变的，而且集合也提供了更多高级功能。有了JavaCollectionAPI，我们就不需要自己编写集合类了，大部分Java集合类都位于java.util包里面，还有一些和并发相关的集合类位于java.util.concurrent包中。下面就介绍一下Java API 为我们提供的这些集合类。

一、Java 集合概览

Java中的集合有两大类，分别是：

1. Collection 
2. Map

Collection类的集合可以理解为主要存放的是单个对象，而Map类的集合主要存储的是key-value类型的对象。这两大类即可理所当然的对应着两个接口，分别是Collection接口和Map接口，下面这幅图列出了这两个接口的继承树：

从上面这幅图可以看到，Collection接口又衍生了出三个分支，分别是：

1.  List
2.  Set
3.  Queue

而Map则相对简单，只有一个分支。下面我们就详细介绍Java Collection的每一个实现类。

注意：要把Collection、Collections区分开，Collection是集合的一个接口，而Collections是一个工具类，它提供了一些静态方法来方便我们操作集合的实例，这两个都位于java.util包中。

二、先从Collection接口介绍

下图是Collection接口的源码截图，从接口中的抽象方法我们可以看出，它定义了一个通用集合常用的方法：

- 增加删除一个元素
- 判断元素是否存在
- 获得集合的大小
- 迭代一个集合

2.1 Collection的List接口

List接口继承自Collection接口，它的特点是其中的对象是有序的，并且每个对象都有一个唯一的index，我们可以通过这个index来搜索某个元素，并且List中的对象允许重复，这类似于一个数组。对于List接口，Java API提供了如下实现：

- java.util.ArrayList
- java.util.LinkedList
- java.util.Vector
- java.util.Stack

当然，在 java.util.concurrent包中也有一些实现，这些内容会在另一篇文章中详细介绍。

ArrayList是最常用的集合，其内部实现是一个数组，ArrayList的大小是可以动态扩充的。对于元素的随机访问效率高，其访问的时间复杂度为O(1)，对于数据的插入与删除，从尾部操作效率高，时间复杂度和随机访问一样是O(1)，若是从头部操作则效率会比较低，因为从头部插入或删除时需要移动后面所有元素，其时间复杂度为O(n-i)(n表示元素个数，i表示元素位置)。

LinkList：从上图可以看出，不但继承了List接口，还继承了Deque接口（后面会介绍）。LinkList是一个基于链表的数据结构，每个节点都保存了上一个和下一个节点的指针。LinkList对于随机访问效率是比较低的，因为它需要从头开始索引，所以其时间复杂度为O(i)。但是对于元素的增删，LinkList效率高，因为只需要修改前后指针即可，其时间复杂度为O(1)。

Vector：从Vector和ArrayList源码截图可以看出，它们继承的接口完全一致。所以，Vector可以看做是一个线程安全的ArrayList，它内部也是基于数组实现的，不过几乎所有的集合操作都加了synchronized关键字。

Stack：上面是Stack类源码截图，我们看到Stack类其实继承自Vector，Stack只是在Vector的基础上添加了几个方法以提供栈（Last In First Out LIFO）的特性。Stack的特点是添加时新元素会被添加到顶部，移除时顶部的元素最先被移除。这种数据结构主要用作一些特殊数据加工流程，如语言编译、XML解析等。

2.2 Collection的Set接口

Set和List接口一样也是继承自Collection接口，同样是对集合的一种实现，它们之间最大的区别是Set中的对象不允许重复。对于Set接口，Java API提供了如下实现：

- java.util.EnumSet
- java.util.HashSet
- java.util.LinkedHashSet
- java.util.TreeSet

这些类的功能稍有不同，区别主要体现在对象的迭代的顺序及插入、查找的效率上。

HashSet的实现很简单，其内部就是一个HashMap，不过它对元素的顺序没有保证。

LinkedHashSet的实现也很简单，其内部用的是一个LinkedHashMap。因为LinkedHashMap内部维护了一个双向链表以保持顺序，所以LinkedHashSet的特点是它当中的元素是有序的，元素迭代的顺序就是其插入的顺序，元素的再次插入不会影响原有元素的顺序。

TreeSet：从上图的继承关系可以看出，想要了解TreeSet就要先了解NavigableSet和SortedSet接口。

SortedSet接口

public interface SortedSet<E> extends Set<E> {
     Comparator<? super E> comparator();
     SortedSet<E> subSet(E fromElement, E toElement);
     SortedSet<E> headSet(E toElement);
     SortedSet<E> tailSet(E fromElement);
     E first();    
}

从上面接口定义看，SortedSet接口是Set的一个子接口，它除了有一般Set的特性之外它元素在内部是有序的。它内部元素的顺序取决于元素的排序规则，即元素顺序取决于元素对comparable接口的实现或者一个comparator比较器，关于comparable和comparator的区别，可以参考：http://www.cnblogs.com/sunflower627/p/3158042.html

NavigableSet接口

public interface NavigableSet<E> extends SortedSet<E> {
    NavigableSet<E> descendingSet();
    Iterator<E> descendingIterator();
    SortedSet<E> headSet(E toElement);
    SortedSet<E> tailSet(E fromElement);
    SortedSet<E> subSet(E fromElement, E toElement);
    ceiling(), floor(), higher(), and lower()
    ...
}

从NavigableSet接口定义可以看到，它是SortedSet的一个子接口，并且提供了一些导航方法，至于这些导航方法的含义大家可以查看Java Doc。

所以，TreeSet的特点就是内部元素有序，并且有很多导航方法的实现。从第一部分Java集合类概览中我们知道，Set有一个子接口SortedSet，而SortedSet又有一个子接口NavigableSet接口，Java API对SortedSet、NavigableSet接口的实现只有一个，就是TreeSet。

2.3 Collection的Queue接口

Queue接口继承自Collection接口，它也代表了一个有序的队列，不过这个队列最大的特点就是新插入的元素位于队列的尾部，移除的对象位于队列的头部，这类似于超市中结账的队列。

我们通过第一节的Java集合概览已经知道，Queue接口还有一个子接口Deque，下面我们分别看一下JavaAPI对这两个接口的定义：

Queue接口：

public interface Queue<E> extends Collection<E> {
    boolean add(E e);
    boolean offer(E e);
    E remove();
    E poll();
    E peek();
}

Deque接口：

public interface Deque<E> extends Queue<E> {
    void addFirst(E e);
    void addLast(E e);
    E removeFirst(); 
    E removeFirst();
}

从这两个接口的定义我想大家已经看出些端倪，Queue接口定义了一般队列的操作方式，而Deque则是一个双端队列。

对于Queue接口，Java API提供了两个实现：

- java.util.LinkedList（也实现了Deque接口）
- java.util.PriorityQueue

LinkedList：前面的List章节已经提到，它是一个标准队列。
PriorityQueue：队列中的顺序类似于TreeSet，取决于元素的排序规则，即元素对comparable接口的实现或者一个comparator比较器。

对于Deque接口，出了LinkList类之外还有一个实现：

- java.util.ArrayDeque

ArrayDeque：从名称可以看出，其内部实现是一个数组。

三、Java 集合之 Map

从第一部分Java集合类概览中我们知道，Map不是继承自Collection接口，而是和Collection接口出于并列的位置。所以，Map的行为和上面介绍的Collection的行为由很大不同。Map的主要特点是它存放的元素为key-value对，我们看一下Map接口的定义：

public interface Map<K,V> {
    V put(K key, V value);
    boolean containsKey(Object key);
    Set<Map.Entry<K, V>> entrySet();
    int hashCode(); V get(Object key);
    Set<K> keySet();
    ... ...
}

对于Map接口，Java API提供了如下实现：

- java.util.HashMap
- java.util.Hashtable
- java.util.EnumMap
- java.util.IdentityHashMap
- java.util.LinkedHashMap
- java.util.Properties
- java.util.TreeMap
- java.util.WeakHashMap

其中，我们最常用到的是HashMap和TreeMap。

HashMap中的key、value都是无序的。HashMap的内部实现非常值得研究，具体请参考HashMap内部实现

HashTable可以看做是HashMap的重量级实现，其中的大部分方法都加了synchronized关键字，是线程安全的。HashTable与HashMap的另一个区别是HashMap的key-value都允许为null，而HashTable不可以。

LinkedHashMap也是一个HashMap，只是内部维护了一个双向链表以保持顺序，LinkedHashSet内部实现就是用的LinkedHashMap。

TreeMap中的key、value不但可以保持顺序，类似于TreeSet和PriorityQueue，TreeMap中key、value的迭代顺序取决于它们各自的排序规则。