Java容器总结

原文链接：https://blog.csdn.net/qq_45661953/article/details/119963638

1. 分类

1.1 容器框架简图

 

 说明：紫色的为抽象类，无法实体化。蓝色的可以实体化。该图做了删减，只保留了一部分信息。

1.2 Java容器框架描述

• Java Collections框架中包含了大量的接口及其实现类和操作他们的算法。主要有：List(列表)、Set(集合)、Map(映射)。
• 它们都处于java.util包中，Set、List和Map都是接口，它们有各自的实现类。
• Collection是最基本的集合接口，声明了适用于JAVA集合的通用方法，list和set都继承自collection接口。
• Set的实现类主要有HashSet和TreeSet;
• List的实现类主要有ArrayList;
• Map的实现类主要有HashMap和TreeMap。

2. 描述

2.1 List

描述：按插入顺序保存对象(有序)，允许元素重复。

1. ArrayList：数组实现，默认大小为10，扩充1.5倍+1。
2. LinkedList：双向链表实现。
3. Vector：数组实现 ，默认大小为10，扩容2倍，线程安全。

2.2 Set

描述：元素无放入顺序，元素不可重复
1. HashSet：哈希表实现，默认大小为16，2倍扩充。
2.TreeSet：红黑树实现，会对元素进行排序。

2.3 Map

描述：储存键值对，键具有唯一性。
1.HashMap：数组+链表+红黑树实现，允许key=null。当链表长度大于阈值(默认为8)时，才将链表转换为红黑树。
2.HashTable：数组+链表+红黑树实现。线程安全。
3.TreeMap：红黑树实现。会对元素进行排序。

2.3 Java Collections框架图

3. 容器常用方法

java容器都存储于java.util.*中

3.1 List

//增删改查方法
public void add(Object element) //增添元素
public void add(int index,Object element) //在指定位置增添元素
public boolean remove(Object o) //删除指定对象
public Object remove(int index) //删除指定位置的元素
public Object set(int index, Object element) //修改指定位置元素的值
public Object get(int index) //获取指定位置元素
public int indexOf(Object o) //获取指定元素的位置
public boolean contains(Object o) //判断指定元素是否存在
 
//其他常用方法
public int size() //获取容器中元素个数
public Iterator<E> iterator() //获取迭代器
public void clear() //清空元素
Object[] toArray() // 返回一个数组，该数组中包括集合中的所有元素 

List三种遍历方式：使用迭代器、增强for、普通for

Link<String> list = new ArrayList<>();
list.add("aaa");
list.add("bbb");

// 方法一：用迭代器迭代，集合类通用遍历方式，从很早的版本就有
Iterator it = list.iterator();
while(it.hasNext()){
    Sysout.out.println(it.next());
}

// 方法二：增强for
for(String value : list){
    Sysout.out.pringln(value);
}

// 方法三：一般for遍历
for(int i = 0; i < list.size(); i++){
    Sysout.out.println(list.get(i));
}

ArrayList（数组）适合快速查找元素。
LinkedList（双向链表）适合频繁的对列表进行增加或者删除元素操作。因此LinkedList类可用于实现堆栈和队列，对此LinkedList类中还定义了类似的方法：

//模拟栈和队列操作
public void addFirst(Object o) //在链表头增添元素
public void addLast(Object o) //在链表尾增添元素
public Object removeFirst() //删除链表头元素，并返回该元素
public Object removeLast() //删除链表尾元素，并返回该元素
public boolean isEmpty() //判断链表是否为空
 
public void push(E e) //等价于addFirst()
public E pop() //等价于removeFirst()
public E getFirst() //获取链表首元素
public E getLast() //获取链表尾元素

3.2 Set

// 增删查方法
public void add(Object element) //增添元素
public boolean remove(object element) //删除元素
public boolean contains(Object o) //判断元素是否存在
 
// 其他常用方法
public int size() //获取容器中元素个数
public boolean isEmpty() //判断集合是否为空
public Iterator<E> iterator() //获取迭代器
public void clear() //清空元素
Object[] toArray() // 返回一个数组，该数组中包括集合中的所有元素 

Set两种遍历方式：迭代器遍历、增强for遍历

Set<String> strSet = new HashSet<>();
strSet.add("aaa");
strSet.add("bbb");

// 方法一：迭代器遍历
Iterator<String> it = new Iterator();
while(it.hasNext()){
    System.out.println(it.next());
}

// 方法二：增强for循环遍历
for(String str : strSet){
    System.out.pringln(str);
}

3.3 Map

//增删查
public Object put(Object key, Object value) // 增添元素
public Object remove(Object key) // 删除元素,并返回键对应的值
public Object get(Object key) // 获取键对应的值
public boolean containsKey(Object key) // 判断指定键是否存在
public boolean containsValue(Object value) // 判断指定值是否存在
public Object getOrDefault(Object key, Object defaultValue) // 获取指定 key 对应对 value，如果找不到 key ，则返回设置的默认值
 
//获取键、值、元素集合
public Collection values() // 获取值集合
public Set KeySet() // 获取键集合
public Set entrySet() // 获取元素集合
 
//其他方法
public int size() // 获取容器中元素个数
public boolean isEmpty() // 判断容器是否为空
public void clear() // 清空元素

Map四种遍历方式：用entrySet、用entrySet和增强for、用keySet、用keySet和增强for

Map<String, Integer> map = new HashMap<>();
map.put("aaa", 1);
map.put("bbb", 2);

// 方法一：用entrySet()，推荐，尤其是容量大时
Iterator it = map.entrySet().iterator();
while(it.hasNext){
    Map.Entry m = (Map.Entry)it.next();
    System.out.println(m.getKey() + ", " + m.getValue());
}

// 方法二：jdk1.5支持，用entrySet()和增强for
for(Map.Entry<String, Integer> m : map.entrySet()){
    System.out.println(m.getKey() + ", " + m.getValue());
}

// 方法三：用keySet()，普遍使用，二次取值
Iterator it = map.keySet().iterator();
while(it.hasNext){
    String key = (String)it.next();
    System.out.println(key + ", " + map.get(key));
}

// 方法四：jdk1.5支持，用keySet()和增强for
for(Object key : map.keySet()){
    System.out.println(key + ", " + map.get(key));
}

4. 容器详细描述

4.1 Collection接口的方法

boolean add(Object o) ：向集合中加入一个对象的引用
void clear()：删除集合中所有的对象，即不再持有这些对象的引用
boolean isEmpty() ：判断集合是否为空
boolean contains(Object o) ： 判断集合中是否持有特定对象的引用
Iterartor iterator() ：返回一个Iterator对象，可以用来遍历集合中的元素
boolean remove(Object o) ：从集合中删除一个对象的引用
int size() ：返回集合中元素的数目
Object[] toArray() ： 返回一个数组，该数组中包括集合中的所有元素
关于：Iterator() 和toArray() 方法都用于集合的所有的元素，前者返回一个Iterator对象，后者返回一个包含集合中所有元素的数组。
Collection没有get()方法来取得某个元素。只能通过iterator()遍历元素。

4.2 Iterator接口声明了如下方法

hasNext()：判断集合中元素是否遍历完毕，如果没有，就返回true
next() ：返回下一个元素
remove()：从集合中删除上一个有next()方法返回的元素。
Set(集合)： Set是最简单的一种集合。集合中的对象不按特定的方式排序，并且没有重复对象。 Set接口主要实现了两个实现类：
HashSet： HashSet类按照哈希算法来存取集合中的对象，存取速度比较快
TreeSet ：TreeSet类实现了SortedSet接口，能够对集合中的对象进行排序。

4.3 List的功能方法

实际上有两种List：一种是基本的ArrayList,其优点在于随机访问元素，另一种是更强大的LinkedList,它并不是为快速随机访问设计的，而是具有一套更通用的方法。
List：次序是List最重要的特点：它保证维护元素特定的顺序。List为Collection添加了许多方法，使得能够向List中间插入与移除元素(这只推 荐LinkedList使用。)一个List可以生成ListIterator,使用它可以从两个方向遍历List,也可以从List中间插入和移除元素。
ArrayList：由数组实现的List。允许对元素进行快速随机访问，但是向List中间插入与移除元素的速度很慢。ListIterator只应该用来由后向前遍历 ArrayList,而不是用来插入和移除元素。因为那比LinkedList开销要大很多。
LinkedList ：对顺序访问进行了优化，向List中间插入与删除的开销并不大。随机访问则相对较慢。(使用ArrayList代替。)还具有下列方 法：addFirst(), addLast(), getFirst(), getLast(), removeFirst() 和 removeLast(), 这些方法 (没有在任何接口或基类中定义过)使得LinkedList可以当作堆栈、队列和双向队列使用。

4.4 Set的功能方法

Set具有与Collection完全一样的接口，因此没有任何额外的功能。实际上Set就是Collection,只 是行为不同。这是继承与多态思想的典型应用：表现不同的行为。Set不保存重复的元素(至于如何判断元素相同则较为负责)

Set : 存入Set的每个元素都必须是唯一的，因为Set不保存重复元素。加入Set的元素必须定义equals()方法以确保对象的唯一性。Set与Collection有完全一样的接口。Set接口不保证维护元素的次序。
HashSet：为快速查找设计的Set。存入HashSet的对象必须定义hashCode()。
TreeSet： 保存次序的Set, 底层为树结构。使用它可以从Set中提取有序的序列。

LinkedHashSet：具有HashSet的查询速度，且内部使用链表维护元素的顺序(插入的次序)。于是在使用迭代器遍历Set时，结果会按元素插入的次序显示。

4.5 Map的功能方法

方法put(Object key, Object value)添加一个“值”(想要得东西)和与“值”相关联的“键”(key)(使用它来查找)。方法get(Object key)返回与给定“键”相关联的“值”。可以用containsKey()和containsValue()测试Map中是否包含某个“键”或“值”。 标准的Java类库中包含了几种不同的Map：HashMap, TreeMap, LinkedHashMap, WeakHashMap, IdentityHashMap。它们都有同样的基本接口Map，但是行为、效率、排序策略、保存对象的生命周期和判定“键”等价的策略等各不相同。
执行效率是Map的一个大问题。看看get()要做哪些事，就会明白为什么在ArrayList中搜索“键”是相当慢的。而这正是HashMap提高速 度的地方。HashMap使用了特殊的值，称为“散列码”(hash code)，来取代对键的缓慢搜索。“散列码”是“相对唯一”用以代表对象的int值，它是通过将该对象的某些信息进行转换而生成的。所有Java对象都 能产生散列码，因为hashCode()是定义在基类Object中的方法。
HashMap就是使用对象的hashCode()进行快速查询的。此方法能够显着提高性能。
Map : 维护“键值对”的关联性，使你可以通过“键”查找“值”
HashMap：Map基于散列表的实现。插入和查询“键值对”的开销是固定的。可以通过构造器设置容量capacity和负载因子load factor，以调整容器的性能。
LinkedHashMap： 类似于HashMap，但是迭代遍历它时，取得“键值对”的顺序是其插入次序，或者是最近最少使用(LRU)的次序。只比HashMap慢一点。而在迭代访问时发而更快，因为它使用链表维护内部次序。
TreeMap ： 基于红黑树数据结构的实现。查看“键”或“键值对”时，它们会被排序(次序由Comparabel或Comparator决定)。TreeMap的特点在 于，你得到的结果是经过排序的。TreeMap是唯一的带有subMap()方法的Map，它可以返回一个子树。
WeakHashMap ：弱键(weak key)Map，Map中使用的对象也被允许释放: 这是为解决特殊问题设计的。如果没有map之外的引用指向某个“键”，则此“键”可以被垃圾收集器回收。
IdentifyHashMap： : 使用==代替equals()对“键”作比较的hash map。专为解决特殊问题而设计。

5. 容器应用场景与区别分析

5.1 list与Set、Map区别及适用场景

1. List,Set都是继承自Collection接口，Map则不是
2. List特点：元素有放入顺序，元素可重复 。
   Set特点：元素无放入顺序，元素不可重复，重复元素会覆盖掉，（注意：元素虽然无放入顺序，但是元素在set中的位置是有该元素的HashCode决定的，其位置其实是固定的，加入Set的Object必须定义equals()方法，另外list支持for循环，也就是通过下标来遍历，也可以用迭代器，但是set只能用迭代，因为他无序，无法用下标来取得想要的值。）
3. Set和List对比： Set：检索元素效率低下，删除和插入效率高，插入和删除不会引起元素位置改变。
   List：和数组类似，List可以动态增长，查找元素效率高，插入删除元素效率低，因为会引起其他元素位置改变。
4. Map适合储存键值对的数据
5. 线程安全集合类与非线程安全集合类 : LinkedList、ArrayList、HashSet是非线程安全的，Vector是线程安全的;
   HashMap是非线程安全的，HashTable是线程安全的;
   StringBuilder是非线程安全的，StringBuffer是线程安全的。

5.2 ArrayList与LinkedList的区别和适用场景

Arraylist：
优点：ArrayList是实现了基于动态数组的数据结构,因为地址连续，一旦数据存储好了，查询操作效率会比较高（在内存里是连着放的）。
缺点：因为地址连续， ArrayList要移动数据,所以插入和删除操作效率比较低。
LinkedList：
优点：LinkedList基于链表的数据结构,地址是任意的，所以在开辟内存空间的时候不需要等一个连续的地址，对于新增和删除操作add和remove，LinedList比较占优势。LinkedList 适用于要头尾操作或插入指定位置的场景
缺点：因为LinkedList要移动指针,所以查询操作性能比较低。
适用场景分析：
当需要对数据进行对此访问的情况下选用ArrayList，当需要对数据进行多次增加删除修改时采用LinkedList。

5.3 ArrayList与Vector的区别和适用场景

ArrayList和Vector都是用数组实现的，主要有这么三个区别：

1.Vector是多线程安全的，线程安全就是说多线程访问同一代码，不会产生不确定的结果。而ArrayList不是，这个可以从源码中看出，Vector类中的方法很多有synchronized进行修饰，这样就导致了Vector在效率上无法与ArrayList相比;

2.两个都是采用的线性连续空间存储元素，但是当空间不足的时候，两个类的增加方式是不同。
3.Vector可以设置增长因子，而ArrayList不可以。
4.Vector是一种老的动态数组，是线程同步的，效率很低，一般不赞成使用。

适用场景分析：
1.Vector是线程同步的，所以它也是线程安全的，而ArrayList是线程异步的，是不安全的。如果不考虑到线程的安全因素，一般用ArrayList效率比较高。
2.如果集合中的元素的数目大于目前集合数组的长度时，在集合中使用数据量比较大的数据，用Vector有一定的优势。

5.4 HashSet与Treeset的适用场景

1.TreeSet 是二差树（红黑树的树据结构）实现的,Treeset中的数据是自动排好序的，不允许放入null值
2.HashSet 是哈希表实现的,HashSet中的数据是无序的，可以放入null，但只能放入一个null，两者中的值都不能重复，就如数据库中唯一约束
3.HashSet要求放入的对象必须实现HashCode()方法，放入的对象，是以hashcode码作为标识的，而具有相同内容的String对象，hashcode是一样，所以放入的内容不能重复。但是同一个类的对象可以放入不同的实例。

适用场景分析:HashSet是基于Hash算法实现的，其性能通常都优于TreeSet。为快速查找而设计的Set，我们通常都应该使用HashSet，在我们需要排序的功能时，我们才使用TreeSet。

5.5 HashMap与TreeMap、HashTable的区别及适用场景

HashMap 非线程安全
HashMap：基于哈希表实现。使用HashMap要求添加的键类明确定义了hashCode()和equals()[可以重写hashCode()和equals()]，为了优化HashMap空间的使用，您可以调优初始容量和负载因子。
TreeMap：非线程安全基于红黑树实现。TreeMap没有调优选项，因为该树总处于平衡状态。

适用场景分析：
HashMap和HashTable:HashMap去掉了HashTable的contains方法，但是加上了containsValue()和containsKey()方法。HashTable同步的，而HashMap是非同步的，效率上比HashTable要高。HashMap允许空键值，而HashTable不允许。
HashMap：适用于Map中插入、删除和定位元素。
Treemap：适用于按自然顺序或自定义顺序遍历键(key)。

6. 其他容器常用方法

6.1 Arrays

public static int binarySearch(Object[] a, Object key) //二分查找（a已排序）
public static boolean equals(Object[] a, Object[] a2) //判断两数组是否完全一致
public static void fill(Object[] a, Object val) //在a中所有位置填充val
public static void fill(Object[] a, int fromIndex, int toIndex, Object val) //在[fromIndex,toIndex)中填充元素val
public static String toString(Object[] a) //将数组a转换为字符串，如"[1, 2, 3]"
public static void sort(Object[] a) //改进的快速排序（升序）
public static void sort(Object[] a, int fromIndex, int toIndex) //对[fromIndex,toIndex)中的元素排序（升序）
public static <T> void sort(T[] a, Comparator<? super T> c) //自定义比较器排序

排序案例：升序排序直接调用 sort() ，降序排序需要实现比较器（Comparator ）接口

import java.util.Arrays;
import java.util.Comparator;
 
public class Sort{
    static Integer[] a= {5,8,4,2,9,3,1,6,7};
    static String[] s= {"Tom","John","Marry","Katty","Jerry"};
 
    public static void main(String[] args) {
        Arrays.sort(a); //1 2 3 4 5 6 7 8 9 
        Arrays.sort(s); //Jerry John Katty Marry Tom 
 
        Arrays.sort(a,new Comparator<Integer>() {
            public int compare(Integer o1, Integer o2) {
                return o2-o1;
            }                
        }); //9 8 7 6 5 4 3 2 1 
 
        Arrays.sort(s,new Comparator<String>() {
            public int compare(String o1, String o2) {
                return o2.compareTo(o1);
            }            
        }); //Tom Marry Katty John Jerry 
    }
}

6.2 Collections

6.2.1 Collections 类对 Collection 对象提供的方法

public static Object max(Collection coll) //获取最大值
public static Object min(Collection coll) //获取最小值

6.2.2 Collections 类对List对象提供的方法

public static int binarySearch(List list, Object key) //查找元素
public static void copy(List dest, List src) //将src复制给dest
public static void fill(List list, Object obj) //在list中填充obj
public static void reverse(List list) //列表元素倒置
public static void sort(List list) //升序排序
public static <T> void sort(List<T> list, Comparator<? super T> c) //自定义比较器排序

排序案例：升序排序直接调用 sort() ，降序排序需要实现比较器（Comparator ）接口

import java.util.Collections;
import java.util.Comparator;
import java.util.List;
 
public class Sort{
    static int[] a= {5,8,4,2,9,3,1,6,7};
    static String[] s= {"Tom","John","Marry","Katty","Jerry"};
    static List list1=new ArrayList<Integer>();
    static List list2=new ArrayList<String>();
    
    public static void main(String[] args) {
        for(int i=0;i<a.length;i++) {
            list1.add(a[i]);
        }
        for(int i=0;i<s.length;i++) {
            list2.add(s[i]);
        }
        
        Collections.sort(list1); //[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
        Collections.sort(list2); //[Jerry, John, Katty, Marry, Tom]
        
        Collections.sort(list1,new Comparator<Integer>() {
            public int compare(Integer o1, Integer o2) {
                return o2-o1;
            }        
        }); //[9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1]
        
        Collections.sort(list2,new Comparator<String>() {
            public int compare(String o1, String o2) {
                return o2.compareTo(o1);
            }            
        }); //[Tom, Marry, Katty, John, Jerry]
    }
}

6.2.3 Collections 类提供的集合同步处理方法

public static Collection synchronizedCollection(Collection c) //Collection对象同步
public static List  synchronizedList(List list) //List对象同步
public static Set  synchronizedSet(Set s) //Set对象同步
public static Map  synchronizedMap(Map m) //Map对象同步

案例：

List list=Collections.synchronizedList(new ArrayList());
...
synchronized(list) {
    Iterator<E> iter=list.iterator();
    while(iter.hasNext()) {
        foo(iter.next());
    }
}