Java 集合与容器类
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集合与容器类是 Java 开发过程中的重要内容，本文介绍 Java 容器框架中常见的接口、抽象类、派生类以及 Conllections、迭代器、比较器等

# Java 集合与容器类

# 体系

早在 Java 2 中之前，Java 就提供了特设类。比如：Dictionary, Vector, Stack 和 Properties 这些类用来存储和操作对象组。虽然这些类都非常有用，但是它们缺少一个核心的，统一的主题。由于这个原因，使用 Vector 类的方式和使用 Properties 类的方式有着很大不同。为此，整个集合框架就围绕一组标准接口而设计。

集合框架被设计成要满足以下几个目标。

  • 该框架必须是高性能的。基本集合（动态数组，链表，树，哈希表）的实现也必须是高效的。
  • 该框架允许不同类型的集合，以类似的方式工作，具有高度的互操作性。
  • 对一个集合的扩展和适应必须是简单的。
graph LR
	Collection接口-->List接口
	Map接口-->HashMap类
	Collection接口-->Set接口
	List接口-->ArrayList类
	List接口-->LinkedList类
	Set接口-->HashSet类
	Set接口-->SortedSet类
	Map接口-->SortedMap类
	SortedMap类-->TreeMap类
	HashSet类-->LinkedHashSet类
	SortedSet类-->TreeSet类
	Iterator接口-->ListIterator接口

# 接口

# Collection

  1. 最基本的集合接口，存储一组不唯一、无序的对象

  2. 公共方法

    方法 描述
    int size() 返回元素个数
    boolean isEmpty() 判断是否为空
    boolean contains(Object obj) 判断是否包含 obj
    boolean add(E element) 添加元素，返回成功与否
    int hashCode() 返回哈希码
    Object[] toArray() 转换为 Object 数组
    boolean remove(Object obj) 删除元素
    void clear() 清空容器
    Iterator iterator 返回迭代器
    boolean equals(Object o) 是否与 o 相等
    void shuffle(List< ? > list) 随机重排元素
    boolean containsAll(Collection< ? > c) 判断是否包含 c 中所有元素
    boolean addAll(Contain< ? > c) 集合并运算
    boolean removeAll(Collection< ? > c) 集合差运算
    boolean retainAll(Collection< ? > c) 集合交运算，只保留也被 c 包含的元素

# Map

  1. 存储键值对，提供 key 到 value 的映射，key 唯一

  2. 公共方法

    方法 描述
    V put(K key,V value) 插入键值对
    void putAll(Map<? extends K,? extends V> m) 复制映射
    boolean containsKey(Object key) 判断是否包含 key
    boolean containsValue(Object value) 判断是否包含 value
    V get(Object key) 返回键对应值
    Set keySet() 返回键的集合
    Collection values() 返回值的集合
    V remove(Object key) 删除 key 对应条目
    Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() 返回键值对的集合

    使用 keySet() 抽取 key 序列，将 map 中的所有 key 生成一个 Set。

    使用 values() 抽取 value 序列，将 map 中的所有 values 生成一个 Collection。

    为什么一个生成 Set，一个生成 Collection？那是因为，key 总是独一无二的，value 允许重复。

# List

  1. Collection 的子接口，通过索引访问元素，存储一组不唯一、有序的对象

  2. 公共方法

    方法 描述
    E get(int index) 返回指定位置元素
    E set(int index,E element) 替换指定位置，返回被取代元素
    int indexOf(Object o) 返回 o 首次出现序号，不存在返回 -1
    int lastIndexOf(Object o) 返回 o 最后出现序号
    void add(int index,E element) 指定位置插入
    boolean add(E element) 最后位置插入
    E remove(int index) 删除并返回指定位置元素
    boolean addAll(Collection<? extends E> c) 列表最后添加 c 中所有元素
    boolean addAll(int index,Collection<? extends E> c) 指定位置添加 c 中所有元素
    ListIterator listIterator() 返回迭代器
    ListIterator listIterator(int index) 返回指定位置开始的迭代器

# Set

  1. Collection 的子接口，不保存重复元素，存储一组唯一、无序的对象
  2. 公共方法：继承自 Collection，未声明其他方法，不提供 get 方法获取元素

# 实现类

# List派生类

  1. ArrayList

    • 数组列表，自动扩容，增长长度为原来的 50%

    • 基于数组，随机访问、遍历效率高，插入删除效率低

    • 可插入 null

  2. LiinkedList

    • 链式数据结构

    • 基于双向链表，插入删除效率高，随机访问、查找效率低

    • 可插入 null

    • 常用方法

      方法 描述
      public void addFirst(E e) 插入开头
      public void addLast(E e) 插入尾部
      public E getFirst() 返回第一元素
      public E getLast() 返回最后元素
      public E removeFirst() 删除并返回第一元素
      public E removeLast() 删除并返回最后元素

# Map派生类

  1. HashMap

    • 查找元素的时间复杂度 O(1)
    • 允许 null 键和 null 值
    • 键必须唯一，值可以重复，无序
    • 上座率：元素个数达到容量与上座率乘积时，容量自动翻倍

  2. TreeMap

    • 基于二叉搜索树，查找元素时间复杂度 O(logn)

    • 实现了 SortedMap 接口

    • 不允许 null 键（空指针异常），允许 null 值

    • 键必须唯一，值可以重复，按键值从大到小排列

    • 常用方法

      方法 描述
      public K firstKey() 返回最低键
      public K lastKey() 返回最高键
      public SortedMap<K,V> headMap(K toKey) 返回键值小于 toKey 那部分映射
      public SortedMap<K,V> tailMap(K toKey) 返回大于等于 toKey 那部分映射
      public K lowerKey(K key) 返回小于给定键的最大键
      public K floorKey(K key) 返回小于等于给定键的最大键
      public K higherKey(K key) 返回大于给定键的最小键
      public K ceilingKey(K key) 返回大于等于给定键的最小键

# Set派生类

  1. HashSet

    • 内部封装了一个 HashMap，HashSet 作为 map 的 key 而存在，value 则是一个类属性
    • 允许 null 元素
    • 不能添加重复元素，方法添加重复对象时不改变集合返回 false
    • 无序，不按插入顺序，也不按 HashCode 顺序
    • 常用方法
    方法 描述
    public boolean add(E e) 添加对象，返回成功与否
    public void clear() 清空集合
    public boolean contains(Object o) 判断是否包含 o 元素
    public int size() 返回集合容量

  2. TreeSet

    • 基于 TreeMap 的键实现，实现 了SortedSet 接口
    • 不允许插入 null 元素（空指针异常）
    • 按元素从小到大排序
    • 不能添加重复元素
    • 常用方法 | 方法 | 描述 | | :------------------------------: | :-----------------------: | | public K first() | 返回最低元素 | | public K last() | 返回最高元素 | | public SortedSet headSet(E e) | 返回小于 e 那部分映射 | | public SortedSet tailSet(E e) | 返回大于等于 e 那部分映射 | | public E lower(E e) | 返回小于 e 最大元素 | | public E floor(E e) | 返回小于等于 e 的最大元素 | | public E higher(E e) | 返回大于 e 的最小元素 | | public E ceiling(E e) | 返回大于等于 e 的最小元素 |

  3. LinkedHashset

    • 继承自 HashMap，内部加入链表保存元素顺序

    • 基于元素进入集合的顺序或者被访问的顺序排序

# 传统类

  1. HashTable

    • Dictionary 的子类，实现了 Map 接口
    • 不允许 null 键，不允许 null 值
    • 键必须唯一，值可以重复，无序
    • 线程安全，支持同步

  2. Vector

    • 线程安全，同步访问
    • 继承自 AbstractList

  3. Properties

    • 继承自 HashTable，实现了 Map 接口

    • 表示一个持久的属性集，属性列表中每个键及其对应值都是一个字符串

    • 常用方法

      方法 描述
      String getProperty(String key) 返回指定键对应属性
      Object setProperty(String key, String value) 调用 Hashtable 的 put 方法
      void list(PrintStream streamOut) 将属性列表输出到指定的输出流
      void list(PrintWriter streamOut) 将属性列表输出到指定的输出流
      void load(InputStream streamIn) throws IOException 从输入流中读取属性列表
      //加载 properties 配置文件的两种方法,JDBCUtils 为例
//方法一
URL res = JDBCUtils.class.getClassLoader().getResource("jdbc.properties");
String path = res.getPath();
pro.load(new FileReader(URLDecoder.decode(path, "utf-8")));
//方法二
// InputStream is = JDBCUtils.class.getClassLoader().getResourceAsStream("jdbc.properties");
InputStream is = JDBCUtils.class.getResourceAsStream("/jdbc.properties");
pro.load(is);

  4. Stack

    • 继承自 Vector ，先进后出

    • 线程安全

    • 常用方法

      方法 描述
      boolean empty() 判断是否栈空
      Object peek() 查看栈顶元素，不删除
      Object pop() 删除栈顶元素，并返回
      Object push(Object element) 元素压栈
      int search(Object element) 返回位置，以 1 为基数

  5. Dictionary

    • 抽象类，用来存储键/值对，作用和Map类相似

  6. BitSet

    • 位集合， 按需增长的位向量

    • 使用场景：整数，无重复

    • 每一位的值都是一个 boolean 值 ，占用一 bit（不是一字节）

    • 内部基于 long 数组， 所以 BitSet 的大小为 long 类型大小(64位)的整数倍

    • 常用方法

      方法 描述
      void set(int index) 将指定索引处的位设置为 true
      void set(int index, boolean v) 将指定索引处的位设置为指定值
      void set(int startIndex, int endIndex) 将范围内的位设置为 true（左开右闭）
      void set(int startIndex, int endIndex, boolean v) 将范围内的位设置为指定值（左开右闭）
      boolean get(int index) 返回指定索引处的位值

# 算法

# Collections

方法 描述
Collections.reverse(List l) 反转
Collections.shuffle(List l) 混淆
Collections.sort(List l） 排序
Collections.swap(List l,int index1,int index2) 替换下标位置元素
Collections.rotate(List l,int step) 向右滚动 ，尾部移动到开头
Collections.synchronizedList() 线程安全化
Collections.fill(List l,Object o) 填充
Collections.copy(List m,List n) n 中的元素复制到 m 中，并覆盖相应索引的元素

# 迭代器

  1. Collection 定义了 toArray()、iterator()、size()方法，但并非所有实现类都重写了这些方法，Set 不提供 get 方法，不能使用 size() 方式遍历。

    //Set 遍历方式
Set<String> set = new HashSet<String>();
//迭代器遍历
Iterator<String> it = set.iterator();
while (it.hasNext()) 
{
  String str = it.next();
  System.out.println(str);
}

//for循环遍历：
for (String str : set) 
      System.out.println(str);

  2. Iterator 接口常用方法

    方法 描述
    public abstract boolean hasNext() 判断是否还有后续元素
    public abstract E next() 返回后续元素
    public abstract void remove() 删除当前指向元素

  3. ListIterator 接口常用方法

    方法 描述
    public abstract boolean hashPrevious() 判断是否有前驱元素
    public abstract E previous() 返回前驱元素
    public abstract add(E e) 插入 next() 返回值之前，previoous() 之后
    public abstract set(E e) 替换当前指向元素
    public abstract int nextIndex() 返回基于 next() 元素序号
    public abstract int previousIndex() 返回基于 previous() 元素序号

# 比较器

  1. Comparator类：一个类有多个属性，不知道按哪个属性进行排序时，通过 Comparator 类重写 compare(Object o1,Object o2 )指定比较算法，再利用 Collections.sort(List l,Comparator c) 进行排序
  2. Comparable接口：实现接口，重写 compareTO(Object another) 方法，利用 Collections.sort(List l）排序

# Arrays

  1. 数组复制

    1. public static <T,U> T[] copyOfRange(U[] original, int from, int to)

      original：原数组 from：原数组的起始位置 to：终点位置（不包括）

    2. public static <T> T[] copyOf(T[] original, int newLength)

      original：原数组 newLength：要复制的长度

      StringBuider 中底层数组的扩容使用了 copyOf()

      copyOf() 内部是通过 System.arraycopy() 实现的

    3. System.arraycopy(Object src, int srcPos, Object dest, int destPos, int length)

      src：原数组 srcPos：原数组起始位置

      dest：目标数组 destPost：目标数组的起始位置 length：复制长度

      List 中的 remove 方法使用了 arraycopy()

  2. 其他方法

方法 描述
public static String toString() 转换为字符串
public static void sort() 排序
public static int binarySearch(Object[] a, Object key ) 搜索
public static boolean equals(long[] a, long[] b) 判断是否相同
public static void fill(int[] a, int val)) 填充

# HashCode

哈希集合查找元素为时间复杂度为 O(1) 的原理

  1. 获得散列值：

    通过特定的哈希函数，每个对象都有对应的哈希值、

  2. hashcode对应到内存地址：

    可以使用一个数组 array，将要存的数据放在 array[hashcode] 位置上

  3. 哈希碰撞

    通过哈希方法，两个不同的元素，获得了相同的哈希值

    最常用用的解决办法是拉链法，在同一地址上建立链表来存储多个 hashcode 相同的元素

  4. 查找

    通过哈希值找到地址，若地址上有多个元素，则用 equals 判断存储位置是否相同

    对于哈希集合来说，如果重写了元素对应的 equals() 方法或 hashcode() 方法中的一个，也必须重写另一个

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