詳解Java集合框架，讓你全面掌握！-創(chuàng)新互聯(lián)

一、Java集合框架概述

集合可以看作是一種容器，用來存儲對象信息。所有集合類都位于java.util包下，但支持多線程的集合類位于java.util.concurrent包下。

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數(shù)組與集合的區(qū)別如下：

1）數(shù)組長度不可變化而且無法保存具有映射關(guān)系的數(shù)據(jù)；集合類用于保存數(shù)量不確定的數(shù)據(jù)，以及保存具有映射關(guān)系的數(shù)據(jù)。

2）數(shù)組元素既可以是基本類型的值，也可以是對象；集合只能保存對象。

Java集合類主要由兩個根接口Collection和Map派生出來的，Collection派生出了三個子接口：List、Set、Queue（Java5新增的隊列），因此Java集合大致也可分成List、Set、Queue、Map四種接口體系，（注意：Map不是Collection的子接口）。

Java集合框架圖如下：

其中List代表了有序可重復(fù)集合，可直接根據(jù)元素的索引來訪問；Set代表無序不可重復(fù)集合，只能根據(jù)元素本身來訪問；Queue是隊列集合；Map代表的是存儲key-value對的集合，可根據(jù)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(xiàn)類，分別是ArrayList、LinkedList、ArrayQueue、HashSet、TreeSet、HashMap、TreeMap等實現(xiàn)類。

二、Java集合常見接口及實現(xiàn)類

1. Collection接口常見方法（來源于Java API）

2. Set集合

Set集合與Collection的方法相同，由于Set集合不允許存儲相同的元素，所以如果把兩個相同元素添加到同一個Set集合，則添加操作失敗，新元素不會被加入，add()方法返回false。為了幫助理解，請看下面代碼示例：

public static void main(String[] args) {
   Set<String> set=new HashSet();
   set.add("hello world");
   set.add("hello 冰湖一角");
   set.add("hello 冰湖一角");
   System.out.println("集合中元素個數(shù)："
        +set.size());
   System.out.println("集合中元素為："
       +set.toString());
  }
}</pre>

運行結(jié)果如下：

集合中元素個數(shù)：2
集合中元素為：[hello world, hello 冰湖一角]

分析：由于String類中重寫了hashCode()和equals()方法，用來比較指向的字符串對象所存儲的字符串是否相等。所以這里的第二個"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(xiàn)類：

1）HashSet類

HashSet是Set集合最常用實現(xiàn)類，是其經(jīng)典實現(xiàn)。HashSet是按照hash算法來存儲元素的，因此具有很好的存取和查找性能。

HashSet具有如下特點：

? 不能保證元素的順序。

? HashSet不是線程同步的，如果多線程操作HashSet集合，則應(yīng)通過代碼來保證其同步。

? 集合元素值可以是null。

HashSet存儲原理如下：

當(dāng)向HashSet集合存儲一個元素時，HashSet會調(diào)用該對象的hashCode()方法得到其hashCode值，然后根據(jù)hashCode值決定該對象的存儲位置。HashSet集合判斷兩個元素相等的標(biāo)準(zhǔn)是(1)兩個對象通過equals()方法比較返回true；(2)兩個對象的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(rèn)為這兩個對象不相等，可以添加成功。如果兩個對象的hashCode()方法返回值相等，但是兩個對象通過equals()方法比較返回false，HashSet會以鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)將兩個對象保存在同一位置，這將導(dǎo)致性能下降，因此在編碼時應(yīng)避免出現(xiàn)這種情況。

HashSet查找原理如下：

基于HashSet以上的存儲原理，在查找元素時，HashSet先計算元素的HashCode值（也就是調(diào)用對象的hashCode方法的返回值），然后直接到hashCode值對應(yīng)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：

? 在程序運行過程中，同一個對象的hashCode()方法返回值應(yīng)相同。

? 當(dāng)兩個對象通過equals()方法比較返回true時，這兩個對象的hashCode()方法返回值應(yīng)該相等。

? 對象中用作equals()方法比較標(biāo)準(zhǔn)的實例變量，都應(yīng)該用于計算hashCode值。

2）LinkedHashSet類

LinkedHashSet是HashSet的一個子類，具有HashSet的特性，也是根據(jù)元素的hashCode值來決定元素的存儲位置。但它使用鏈表維護元素的次序，元素的順序與添加順序一致。由于LinkedHashSet需要維護元素的插入順序，因此性能略低于HashSet，但在迭代訪問Set里的全部元素時由很好的性能。

3）TreeSet類

TreeSet時SortedSet接口的實現(xiàn)類，TreeSet可以保證元素處于排序狀態(tài)，它采用紅黑樹的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來存儲集合元素。TreeSet支持兩種排序方法：自然排序和定制排序，默認(rèn)采用自然排序。

? 自然排序

TreeSet會調(diào)用集合元素的compareTo(Object obj)方法來比較元素的大小關(guān)系，然后將元素按照升序排列，這就是自然排序。如果試圖將一個對象添加到TreeSet集合中，則該對象必須實現(xiàn)Comparable接口，否則會拋出異常。當(dāng)一個對象調(diào)用方法與另一個對象比較時，例如obj1.compareTo(obj2)，如果該方法返回0，則兩個對象相等；如果返回一個正數(shù)，則obj1大于obj2；如果返回一個負(fù)數(shù)，則obj1小于obj2。

Java常用類中已經(jīng)實現(xiàn)了Comparable接口的類有以下幾個：

? BigDecimal、BigDecimal以及所有數(shù)值型對應(yīng)的包裝類：按照它們對應(yīng)的數(shù)值大小進行比較。

? Charchter：按照字符的unicode值進行比較。

? Boolean：true對應(yīng)的包裝類實例大于false對應(yīng)的包裝類實例。

? String：按照字符串中的字符的unicode值進行比較。

? Date、Time：后面的時間、日期比前面的時間、日期大。

對于TreeSet集合而言，它判斷兩個對象是否相等的標(biāo)準(zhǔn)是：兩個對象通過compareTo(Object obj)方法比較是否返回0，如果返回0則相等。

? 定制排序

想要實現(xiàn)定制排序，需要在創(chuàng)建TreeSet集合對象時，提供一個Comparator對象與該TreeSet集合關(guān)聯(lián)，由Comparator對象負(fù)責(zé)集合元素的排序邏輯。

綜上：自然排序?qū)崿F(xiàn)的是Comparable接口，定制排序?qū)崿F(xiàn)的是Comparator接口。（具體代碼實現(xiàn)會在后續(xù)章節(jié)中講解）

4）EnumSet類

EnumSet是一個專為枚舉類設(shè)計的集合類，不允許添加null值。EnumSet的集合元素也是有序的，它以枚舉值在Enum類內(nèi)的定義順序來決定集合元素的順序。

5）各Set實現(xiàn)類的性能分析

HashSet的性能比TreeSet的性能好（特別是添加，查詢元素時），因為TreeSet需要額外的紅黑樹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(yīng)該使用HashSet。

LinkedHashSet是HashSet的子類，由于需要鏈表維護元素的順序，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(xiàn)類中性能最好的，但它只能 保存同一個枚舉類的枚舉值作為集合元素。

以上幾個Set實現(xiàn)類都是線程不安全的，如果多線程訪問，必須手動保證集合的同步性，這在后面的章節(jié)中會講到。

3. List集合

List集合代表一個有序、可重復(fù)集合，集合中每個元素都有其對應(yīng)的順序索引。List集合默認(rèn)按照元素的添加順序設(shè)置元素的索引，可以通過索引（類似數(shù)組的下標(biāo)）來訪問指定位置的集合元素。

實現(xiàn)List接口的集合主要有：ArrayList、LinkedList、Vector、Stack。

1）ArrayList

ArrayList是一個動態(tài)數(shù)組，也是我們最常用的集合，是List類的典型實現(xiàn)。它允許任何符合規(guī)則的元素插入甚至包括null。每一個ArrayList都有一個初始容量（10），該容量代表了數(shù)組的大小。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(dāng)快溢出時，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擅長于隨機訪問元，同時ArrayList是非同步的。

2）LinkedList

LinkedList是List接口的另一個實現(xiàn)，除了可以根據(jù)索引訪問集合元素外，LinkedList還實現(xiàn)了Deque接口，可以當(dāng)作雙端隊列來使用，也就是說，既可以當(dāng)作“?！笔褂?，又可以當(dāng)作隊列使用。

LinkedList的實現(xiàn)機制與ArrayList的實現(xiàn)機制完全不同，ArrayLiat內(nèi)部以數(shù)組的形式保存集合的元素，所以隨機訪問集合元素有較好的性能；LinkedList內(nèi)部以鏈表的形式保存集合中的元素，所以隨機訪問集合中的元素性能較差，但在插入刪除元素時有較好的性能。

3）Vector

與ArrayList相似，但是Vector是同步的。所以說Vector是線程安全的動態(tài)數(shù)組。它的操作與ArrayList幾乎一樣。

4）Stack

Stack繼承自Vector，實現(xiàn)一個后進先出的堆棧。Stack提供5個額外的方法使得Vector得以被當(dāng)作堆棧使用?；镜膒ush和pop 方法，還有peek方法得到棧頂?shù)脑?，empty方法測試堆棧是否為空，search方法檢測一個元素在堆棧中的位置。Stack剛創(chuàng)建后是空棧。

5）Iterator接口和ListIterator接口

Iterator是一個接口，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接口如下：

? boolean hasNext()：判斷集合里是否存在下一個元素。如果有，hasNext()方法返回 true。
? Object next()：返回集合里下一個元素。
? void remove()：刪除集合里上一次next方法返回的元素。

ListIterator接口繼承Iterator接口，提供了專門操作List的方法。ListIterator接口在Iterator接口的基礎(chǔ)上增加了以下幾個方法：

? boolean hasPrevious()：判斷集合里是否存在上一個元素。如果有，該方法返回 true。
? Object previous()：返回集合里上一個元素。
? void add(Object o)：在指定位置插入一個元素。

以上兩個接口相比較，不難發(fā)現(xiàn)，ListIterator增加了向前迭代的功能（Iterator只能向后迭代），ListIterator還可以通過add()方法向List集合中添加元素（Iterator只能刪除元素）。

4. Map集合

Map接口采用鍵值對Map<K,V>的存儲方式，保存具有映射關(guān)系的數(shù)據(jù)，因此，Map集合里保存兩組值，一組值用于保存Map里的key，另外一組值用于保存Map里的value，key和value可以是任意引用類型的數(shù)據(jù)。key值不允許重復(fù)，可以為null。如果添加key-value對時Map中已經(jīng)有重復(fù)的key，則新添加的value會覆蓋該key原來對應(yīng)的value。常用實現(xiàn)類有HashMap、LinkedHashMap、TreeMap等。

Map常見方法（來源于API）如下：

1）HashMap與Hashtable

HashMap與Hashtable是Map接口的兩個典型實現(xiàn)，它們之間的關(guān)系完全類似于ArrayList與Vertor。HashTable是一個古老的Map實現(xiàn)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(qū)別：

? HashMap是線程不安全，HashTable是線程安全的。

? 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(fā)生空指針異常。

為了成功的在HashMap和Hashtable中存儲和獲取對象，用作key的對象必須實現(xiàn)hashCode()方法和equals()方法。

HashMap工作原理如下：

HashMap基于hashing原理，通過put()和get()方法存儲和獲取對象。當(dāng)我們將鍵值對傳遞給put()方法時，它調(diào)用建對象的hashCode()方法來計算hashCode值，然后找到bucket位置來儲存值對象。當(dāng)獲取對象時，通過建對象的equals()方法找到正確的鍵值對，然后返回對象。HashMap使用鏈表來解決碰撞問題，當(dāng)發(fā)生碰撞了，對象將會存儲在鏈表的下一個節(jié)點中。

2）LinkedHashMap實現(xiàn)類

LinkedHashMap使用雙向鏈表來維護key-value對的次序（其實只需要考慮key的次序即可），該鏈表負(fù)責(zé)維護Map的迭代順序，與插入順序一致，因此性能比HashMap低，但在迭代訪問Map里的全部元素時有較好的性能。

3）Properties

Properties類時Hashtable類的子類，它相當(dāng)于一個key、value都是String類型的Map，主要用于讀取配置文件。

4）TreeMap實現(xiàn)類

TreeMap是SortedMap的實現(xiàn)類，是一個紅黑樹的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每個key-value對作為紅黑樹的一個節(jié)點。TreeMap存儲key-value對時，需要根據(jù)key對節(jié)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(xiàn)Comparable接口，而且所有的key應(yīng)該是同一個類的對象，否則會拋出ClassCastException。

? 定制排序：創(chuàng)建TreeMap時，傳入一個Comparator對象，該對象負(fù)責(zé)對TreeMap中的所有key進行排序。

5）各Map實現(xiàn)類的性能分析

? HashMap通常比Hashtable（古老的線程安全的集合）要快

? TreeMap通常比HashMap、Hashtable要慢，因為TreeMap底層采用紅黑樹來管理key-value。

? LinkedHashMap比HashMap慢一點，因為它需要維護鏈表來爆出key-value的插入順序。

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