11 - 集合框架
1. Java集合简介
集合：由若干个确定的元素所构成的整体。在Java中，如果一个Java对象可以在内部持有若干其他Java对象，并对外提供访问接口，就把这种Java对象称为集合。
Collection
Java标准库自带的java.util包提供了集合类——Collection，它是除Map外所有其他集合类的根接口。主要提供了以下三种类型的集合：
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List：一种有序列表的集合；
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Map：一种通过键值查找的映射表集合。
Java集合设计的特点：
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实现了接口和实现类相分离；
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支持泛型，可以限制在一个集合中只能放入同一种数据类型的元素。
Java访问集合总是通过统一的方式——迭代器来实现，它最明显的好处在于无需知道集合内部元素是按什么方式存储的。
注意：尽量不要使用遗留类（如Hashtable, Vector, Stack）和遗留接口（Enumeration<E>）。
2. 使用List
一种有序列表。
List内部按照放入元素的先后顺序存放，每个元素都可以通过索引确定自己的位置，List的索引和数组一样，从0开始。
使用数组实现增删元素非常麻烦，ArrayList把添加和删除的操作封装起来，操作List类似于操作数组，却不用关心内部元素如何移动。考察List<E>接口，可以看到几个主要的接口方法：
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在末尾添加一个元素：void add(E e)
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在指定索引添加一个元素：void add(int index, E e)
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删除指定索引的元素：int remove(int index)
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删除某个元素：int remove(Object e)
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获取指定索引的元素：E get(int index)
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获取链表大小（包含元素的个数）：int size()
实现List接口并非只能通过数组，即ArrayList方式，另一种LinkedList通过“链表”也实现了List接口。在LinkedList中，它的内部每个元素都指向下一个元素。ArrayList和LinkedList的比较：
| ArrayList（优先使用） | LinkedList | |
|---|---|---|
| 获取指定元素 | 速度很快 | 需要从头开始查找元素 |
| 添加元素到末尾 | 速度很快 | 速度很快 |
| 在指定位置添加/删除 | 需要移动元素 | 不需要移动元素 |
| 内存占用 | 少 | 较大 |
List的特点
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List接口允许我们添加重复的元素，即List内部的元素可以重复。
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List还允许添加null
创建List
除了使用ArrayList和LinkedList，还可以通过List接口提供的of()方法根据给定元素快速创建List。但是List.of()方法不接受null值，如果传入null会抛出NullPointerException异常。
遍历List
①可以使用for循环根据索引配合get(int)方法遍历（不推荐），但其代码复杂，且get(int)方法只有ArrayList的实现是高效的，换成LinkedList后，索引越大，访问速度越慢。
②使用迭代器Iterator来访问List。Iterator本身也是一个对象，但它是由List的实例调用iterator()方法的时候创建的。该对象知道如何遍历一个List，且不同的List类型，返回的Iterator对象实现也是不同的，但总是具有最高的访问效率。由于Iterator遍历十分常用，因此，Java的for each循环本身就可以帮我们使用Iterator遍历。
Iterator对象有两个方法：
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boolean hasNext()：判断是否有下一个元素；
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E next()：返回下一个元素。
List和Array转换
List转换为Array的三种方法：
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调用toArray()方法直接返回一个Obeject[]数组，但该方法会丢失类型信息，因而实际应用很少；
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给toArray(T[])传入一个类型相同的Array，List内部自动把元素复制到传入的Array中；
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通过List接口定义的T[] toArray(IntFunction<T[]> generator)方法。
Array转换为List：
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通过List.of(T...)方法，返回的是只读List，如果调用add()或remove()方法会抛出UnsupportedOperationException；
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对于JDK11之前的版本，可以使用Arrays.asList(T...)方法把数组转换成List。
3. 编写equals方法
List提供了boolean contains(Object o)方法来判断List是否包含某个指定元素。此外，int indexOf(Object o)方法可以返回某个元素的索引，如果元素不存在，返回-1。
上述List中包含的指定元素Object o可以与方法中的参数Object o不是同一个实例，其方法功能仍能实现，因为List内部并不是通过“==”来判断两个元素相等，而是使用equals()方法进行判断的。因此要正确使用contains()和indexOf()方法，放入的实例必须正确覆写equals方法，对于String，Integer这些对象，即Java标准库定义的这些类，已经正确实现了equals()方法，而对于我们自己编写的类，就需要我们编写equals()方法才能达到目标。
编写equals
equals()方法要求我们必须满足以下条件：
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自反性（Reflexive）
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对称性（Symmetric）
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传递性（Transitive）
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一致性（Consistent）
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对null的比较：即x.equals(null)永远返回false。
equals()方法的正确编写方法：
①先确定实例“相等”的逻辑，即哪些字段相等，就认为实例相等；
②用instanceof判断传入的待比较的Object是不是当前类型，如果是，继续比较，否则，返回false；
③对引用类型用Objects.equals()比较，对基本类型直接用“==”比较。
4. 使用Map
Map这种键值映射表的数据结构，作用就是能高效通过key快速查找value（元素）。Map也是一个接口，最常用的实现类是HashMap。
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put(K key, V value)方法把key和value做了映射并放入Map；
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V get(K key)方法通过key获取到对应的value，如果key不存在，返回null；
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boolean containsKey(K key)方法查询某个key是否存在。
注意：Map中不存在重复的key，因为放入相同的key，只会把原有的key-value对应的value给替换掉。但是value可以重复。
遍历Map
①可以使用for each循环遍历Map实例的keySet()方法返回的Set集合，它包含不重复的key的集合。
②同时遍历key和value可以使用for each循环遍历Map对象的entrySet()集合，它包含每一个key-value映射。
Map与List的区别：Map存储的是key-value的映射关系，且它不保证顺序。在遍历的时候，遍历的顺序既不一定是put()时放入的key的顺序，也不一定是key的排序顺序。使用Map时，任何依赖顺序的逻辑都是不可靠的。
5. 编写equals和hashCode
HashMap之所以能根据key直接拿到value，原因是它内部通过空间换时间的方法，用一个大数组存储所有value，并根据key直接计算出value应该存储在哪个索引。
通过key计算索引的方式就是调用key对象的hashCode()方法，它返回一个int整数。HashMap正是通过这个方法直接定位key对应的value的索引，继而直接返回value。
正确使用Map必须保证：
①作为key的对象必须正确覆写equals()方法，相等的两个key实例调用equals()方法必须返回true；
②作为key的对象还必须正确覆写hashCode()方法，且hashCode()方法要严格遵循以下规范：
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如果两个对象相等，则两个对象的hashCode()必须相等。必须保证实现，否则HashMap不能正常工作；
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如果两个对象不相等，则两个对象的hashCode()尽量不要相等。如果尽量满足，则可以保证查询效率，因为不同的对象，如果返回相同的hashCode()，会造成Map内部存储冲突，使存取的效率下降。
编写equals()和hashCode()遵循的原则是：
equals()用到的用于比较的每一个字段，都必须在hashCode()中用于计算；equals()中没有使用到的字段，绝不可放在hashCode()中计算。
不同的key具有相同的hashCode()时就出现了哈希冲突，在冲突的时候，一种最简单的解决办法是用List存储hashCode()相同的key-value。显然，如果冲突的概率越大，这个List就越长，Map的get()方法效率就越低，所以要尽量满足条件二。
6. 使用EnumMap
如果作为key的对象时enum类型，那么还可以使用Java集合库提供的一种EnumMap，它在内部以一个非常紧凑的数组存储value，并且根据enum类型的key直接定位到内部数组的索引，并不需要计算hashCode()，不但效率最高，而且没有额外的空间浪费。
使用EnumMap时，总是用Map接口来引用它。
7. 使用TreeMap
SortedMap会在内部对key进行排序，它是一个接口，其实现类是TreeMap。SortedMap保证遍历时以key的顺序来进行排序。使用TreeMap时，放入的key必须实现Comparable接口，作为value的对象则没有任何要求。
注意：TreeMap在比较两个key是否相等时，依赖key的compareTo()方法或者Comparator.compare()方法。在两个key相等时，必须返回0。
8. 使用Properties
配置文件的特点是：key-value一般都是String-String类型的，因此我们完全可以用Map<String, String>来表示它。配置文件十分常用，所以Java集合库提供了一个Properties来表示一组“配置”。由于历史遗留原因，Properties内部本质是一个Hashtable，但我们只需要用到Properties自身关于读写配置的接口。
读取配置文件
Java默认配置文件以“.properties”为扩展名，每行以“key=value”表示，以“#”开头的是注释。读取配置文件步骤：
①创建Properties实例；
②调用load()读取文件；
③调用getProperty()获取配置。
写入配置文件
如果通过setProperty()修改了Properties实例，可以把配置写入文件，以便下次启动时获得最新配置。写入配置文件使用store()方法。
9. 使用Set
如果只需要存储不重复的key，并不需要存储映射的value，就可以使用Set。Set用于存储不重复的元素集合，它主要提供以下几个方法：
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boolean add(E e)：将元素添加进Set<E>；
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boolean remove(Object e)：将元素从Set<E>删除；
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boolean contains(Object e)：判断是否包含元素。
Set实际上相当于只存储key、不存储value的Map。经常使用Set去除重复元素。因为放入Set的元素和Map的key类似，都要正确实现equals()和hashCode()方法，否则该元素无法正确地放入Set。最常用的Set实现类是HashSet，实际上HashSet仅仅是对HashMap的一个简单封装。
Set接口并不保证有序，而SortedSet接口则保证元素是有序的：
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HashSet是无序的，因为它实现了Set接口，并没有实现SortedSet接口；
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TreeSet是有序的，因为它实现类SortedSet接口。
使用TreeSet和使用TreeMap的要求一样，添加的元素必须正确实现Comparable接口，如果没有实现Comparable接口，那么创建TreeSet时必须传入一个Comparator对象。
10. 使用Queue
队列Queue实际上是实现了一个先进先出的有序表。它与List的区别在于，List可以在任意位置添加和删除元素，而Queue只有两个操作：
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把元素添加到队列末尾；
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从队列头部取出元素。
在Java标准库中，队列接口Queue定义了以下几个方法：
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int size()：获取队列长度；
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boolean add(E) / boolean offer(E)：添加元素到队尾；
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E remove() / E poll()：获取队首元素并从队列中删除；
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E element() / E peek()：获取队首元素但不从队列中删除。
其中，添加、删除和获取队列元素总是有两个方法，这是因为在添加或获取元素失败时，两个方法的行为是不同的，前者抛出异常，即throw Exception，而后者返回false或null。
注意：不要把null添加到队列中，否则poll()方法返回null时，很难确定是取到了null元素还是队列为空。
11. 使用PriorityQueue
Queue会严格按FIFO的原则取出队首元素，而PriorityQueue的出队顺序与元素的优先级有关，对其调用remove()或poll()方法，返回的总是优先级最高的元素。
放入PriorityQueue的元素必须实现Comparable接口，PriorityQueue会根据元素的排序顺序决定出队的优先级。
12. 使用Deque
双端队列：两头都进，两头都出。Deque的功能是：
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既可以添加到队尾，也可以添加到队首；
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既可以从队首获取，又可以从队尾获取。
Deque接口实际上扩展自Queue，因此Queue提供的add()/offer()方法在Deque中也可以调用，但是使用Deque最好不要调用offer()，而是调用offerLast()。
Deque是一个接口，它的实现类有ArrayDeque和LinkedList。其中，LinkedList既是List，又是Queue，还是Deque。我们在使用时，总是用特定的接口来引用它，这是因为持有接口说明代码的抽象层次更高，而且接口本身定义的方法代表了特定的用途。
抽象编程的一个原则：尽量持有接口，而不是具体的实现类。
13. 使用Stack
栈：后进先出的数据结构。
Stack只有入栈和出栈操作：
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push(E)：把元素压栈；
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pop(E)：把栈顶的元素“弹出”；
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peek(E)：取栈顶元素但不弹出。
在Java中，可以使用Deque实现Stack的功能。
Stack的作用
①JVM在处理Java方法调用的时候就会通过栈维护方法调用的层次。JVM创建方法调用栈，每调用一个方法时，先将参数压栈，然后执行对应的方法；当方法返回时，返回值压栈，调用方法通过出栈操作获得方法返回值。因为方法调用栈有容量限制，嵌套调用过多会造成栈溢出，引发StackOverflowError。
②对整数进行进制转换。
③计算中缀表达式。计算机执行表达式时不能直接计算中缀表达式，而是通过编译器把中缀表达式转换成后缀表达式，其编译过程就会用到栈。
14. 使用Iterator
Java的集合类都可以使用for each循环，List、Set和Queue会迭代每个元素，Map会迭代每个key。实际上，Java编译器并不知道如何遍历List，编译成功只是因为编译器把for each循环通过Iterator改写为了普通的for循环。
使用迭代器的好处：调用方总是以统一的方式遍历各种集合类型，而不必关心它们内部的存储结构。
自定义的集合类想要使用for each循环，只需要满足以下条件：
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集合类实现Iterable接口，该接口要求返回一个Iterator对象；
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用Iterator对象迭代集合内部数据。
15. 使用Collections
Collections，JDK提供的工具类，位于java.util包中，提供了一系列静态方法，能更方便地操作各种集合。
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创建空集合：返回的空集合是不可变集合，无法向其中添加或删除元素；
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创建单元素集合：返回的单元素集合是不可变集合，无法向其中添加或删除元素；
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排序
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洗牌
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不可变集合：把可变集合封装成不可变集合，这种封装实际上是通过创建一个代理对象，拦截掉所有修改方法实现的；
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