JavaSE第16篇：集合之Collection集合下篇
核心概述：本篇我们将继续深入学习Collection集合之Set系列集合，并且会分析Set集合的源码，帮我我们更好的理解Set集合的特点。同时也会详细学习Java中的泛型、Collections工具类、数据结构红黑树的特点。
第一章：Collections工具类
1.1-Collections常用方法（记忆）
java.utils.Collections 是集合工具类，提供一系列静态方法用来对集合进行操作 。常用的方法如下：
public static <T> boolean addAll(Collection<T> c, T... elements):往集合中添加一些元素。public static void shuffle(List<?> list)打乱顺序 :打乱集合顺序。public static <T> void sort(List<T> list):将集合中元素按照默认规则排序。public static <T> void sort(List<T> list，Comparator<? super T> ):将集合中元素按照指定规则排序。
示例代码如下：
ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();
//public static <T> boolean addAll(Collection<T> c, T... elements) :往集合中添加一些元素。
Collections.addAll(list, 1, 3, 4, 5, 6, 8, 7);
System.out.println(list); // [1, 3, 4, 5, 6, 8, 7]
//public static void shuffle(List<?> list) 打乱顺序 :打乱集合顺序。
Collections.shuffle(list);
System.out.println(list); // 随机顺序[5, 4, 6, 3, 7, 1, 8]
//public static <T> void sort(List<T> list) :将集合中元素按照默认规则排序。
Collections.sort(list);
System.out.println(list); // 默认升序[1, 3, 4, 5, 6, 7, 8]
//public static <T> void sort(List<T> list，Comparator<? super T> ) :将集合中元素按照指定规则排序。
Collections.sort(list, new Comparator<Integer>() {
@Override
public int compare(Integer o1, Integer o2) {
return o2-o1;
}
});
System.out.println(list);
1.2-比较器Comparator接口（理解）
概述
public interface Comparator<T> 是一个比较功能，对一些对象的集合施加了一个整体排序。使用这个功能排序时，需要重写该接口中的方法：int compare(T o1, T o2)，其中o1和o2代表集合中两个要比较的元素，比较其两个参数的顺序。 返回负整数，零或正整数，因为第一个参数小于，等于或大于第二个参数。
案例
需求：用集合存放一组学生对象，并使用集合工具类对集合中的学生对象排序（按照年龄从小到大的顺序排序）。
Student学生类
public class Student{
private String name;
private int age;
//构造方法
//get/set
//toString
}
测试类
public static void main(String[] args) {
ArrayList<Student> list = new ArrayList<Student>();
list.add(new Student("rose",18));
list.add(new Student("jack",16));
list.add(new Student("abc",20));
Collections.sort(list, new Comparator<Student>() {
// 匿名内部类中重写Compare方法
@Override
public int compare(Student o1, Student o2) {
return o1.getAge()-o2.getAge();//以学生的年龄升序
// return o2.getAge() - o2.getAge(); // 倒序
}
});
}
for (Student student : list) {
System.out.println(student);
}
}
/* 结果：
Student{name='jack', age=16}
Student{name='rose', age=18}
Student{name='abc', age=20}
*/
第二章：泛型
2.1-概述（了解）
在前面学习集合时，我们都知道集合中是可以存放任意对象的，只要把对象存储集合后，那么这时他们都会被提升成Object类型。当我们在取出每一个对象，并且进行相应的操作，这时必须采用类型转换。
我们来看下面一段代码：
package www.penglei666.com.Demo03;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Collection;
import java.util.Iterator;
public class Test01 {
public static void main(String[] args) {
Collection coll = new ArrayList();
coll.add("abc");
coll.add("leigege");
coll.add(5);//由于集合没有做任何限定，任何类型都可以给其中存放
Iterator it = coll.iterator();
while(it.hasNext()){
//需要打印每个字符串的长度,就要把迭代出来的对象转成String类型
String str = (String) it.next();
System.out.println(str.length());
}
}
}
异常：程序在运行时发生了问题java.lang.ClassCastException。
问题：为什么会发生类型转换异常呢？
分析：由于集合中什么类型的元素都可以存储。导致取出时强转引发运行时 ClassCastException。
解决：怎么来解决这个问题呢？Collection虽然可以存储各种对象，但实际上通常Collection只存储同一类型对象。例如都是存储字符串对象。因此在JDK5之后，新增了泛型(Generic)语法，让你在设计API时可以指定类或方法支持泛型，这样我们使用API的时候也变得更为简洁，并得到了编译时期的语法检查。
泛型：泛型，未知的类型，可以在类或方法中预支地使用未知的类型。使用泛型可以避免类型转换的麻烦。
注意：一般在创建对象时，将未知的类型确定具体的类型。
2.2-泛型的作用（了解）
上一节只是讲解了泛型的引入，那么泛型带来了哪些好处呢？
- 将运行时期的ClassCastException，转移到了编译时期变成了编译失败。
- 避免了类型强转的麻烦。
通过我们如下代码体验一下：
public static void main(String[] args) {
Collection<String> list = new ArrayList<String>();
list.add("abc");
list.add("leigege");
// list.add(5);//当集合明确类型后，存放类型不一致就会编译报错
// 集合已经明确具体存放的元素类型，那么在使用迭代器的时候，迭代器也同样会知道具体遍历元素类型
Iterator<String> it = list.iterator();
while(it.hasNext()){
String str = it.next();
//当使用Iterator<String>控制元素类型后，就不需要强转了。获取到的元素直接就是String类型
System.out.println(str.length());
}
}
2.3-定义和使用（记忆）
我们在集合中会大量使用到泛型，这里来完整地学习泛型知识。
泛型，用来灵活地将数据类型应用到不同的类、方法、接口当中。将数据类型作为参数进行传递。
定义和使用含有泛型的类
定义如下：
修饰符 class 类名<代表泛型的变量> { }
例如，API中的ArrayList集合：
泛型在定义的时候不具体，使用的时候才变得具体。在使用的时候确定泛型的具体数据类型。
class ArrayList<E>{
public boolean add(E e){ }
public E get(int index){ }
....
}
使用泛型： 即什么时候确定泛型。
在创建对象的时候确定泛型
例如，ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();
此时，变量E的值就是String类型,那么我们的类型就可以理解为：
class ArrayList<String>{
public boolean add(String e){ }
public String get(int index){ }
...
}
再例如，ArrayList<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
此时，变量E的值就是Integer类型,那么我们的类型就可以理解为：
class ArrayList<Integer> {
public boolean add(Integer e) { }
public Integer get(int index) { }
...
}
定义和使用含有的泛型方法
定义如下：
修饰符 <代表泛型的变量> 返回值类型 方法名(参数){ }
例如，
public class MyGenericMethod {
public <MVP> void show(MVP mvp) {
System.out.println(mvp.getClass());
}
public <MVP> MVP show2(MVP mvp) {
return mvp;
}
}
调用方法时，确定泛型的类型
public static void main(String[] args) {
// 创建对象
MyGenericMethod mm = new MyGenericMethod();
// 演示看方法提示
mm.show("aaa");
mm.show(123);
mm.show(12.45);
}
含有泛型的接口
定义格式：
public interface MyGenericInterface<E>{
public abstract void add(E e);
public abstract E getE();
}
使用格式1：定义类时确定泛型的类型
例如
public class MyImp1 implements MyGenericInterface<String> {
@Override
public void add(String e) {
// 省略...
}
@Override
public String getE() {
return null;
}
}
此时，泛型E的值就是String类型。
使用格式2：始终不确定泛型的类型，直到创建对象时，确定泛型的类型
例如
public class MyImp2<E> implements MyGenericInterface<E> {
@Override
public void add(E e) {
// 省略...
}
@Override
public E getE() {
return null;
}
}
确定泛型：
public static void main(String[] args) {
MyImp2<String> my = new MyImp2<String>();
my.add("aa");
}
2.4-泛型通配符（了解）
当使用泛型类或者接口时，传递的数据中，泛型类型不确定，可以通过通配符<?>表示。但是一旦使用泛型的通配符后，只能使用Object类中的共性方法，集合中元素自身方法无法使用。
通配符的基本使用
泛型的通配符:不知道使用什么类型来接收的时候,此时可以使用?,?表示未知通配符。
此时只能遍历该集合,不能往该集合中存储数据。
import java.util.ArrayList;
import java.util.Collection;
public class Test03 {
public static void main(String[] args) {
Collection<Integer> list1 = new ArrayList<>();
list1.add(1);
list1.add(2);
show(list1);
Collection<String> list2 = new ArrayList<>();
list2.add("abc");
list2.add("def");
show(list2);
}
public static void show(Collection<?> list) {
for (Object o : list) {
System.out.println(o);
}
}
}
需要注意的是：泛型不存在继承关系 Collection<Object> list = new ArrayList<String>();这种是错误的。
受限泛型
之前设置泛型的时候，实际上是可以任意设置的，只要是类就可以设置。但是在JAVA的泛型中可以指定一个泛型的上限和下限。
泛型的上限：
- 格式：
类型名称 <? extends 类 > 对象名称 - 意义：
只能接收该类型及其子类
泛型的下限：
- 格式：
类型名称 <? super 类 > 对象名称 - 意义：
只能接收该类型及其父类型
示例
需求：创建老师类和班主任类，提供姓名和年龄属性，并都具有work方法。将多个老师对象和多个班主任对象存储到两个集合中。提供一个方法可以同时遍历这两个集合，并能调用work方法。
员工类代码
package www.penglei666.com.Demo04;
/**
* 员工类
*/
public abstract class Employee {
private String name;
private int age;
public Employee() {
}
public Employee(String name, int age) {
this.name = name;
this.age = age;
}
public abstract void work();
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public int getAge() {
return age;
}
public void setAge(int age) {
this.age = age;
}
}
教师类代码
package www.penglei666.com.Demo04;
public class Teacher extends Employee {
public Teacher(){}
public Teacher(String name,int age) {
super(name,age);
}
@Override
public void work() {
System.out.println(this.getName() + "老师，传道受业解惑");
}
}
班主任类代码
package www.penglei666.com.Demo04;
public class Manger extends Employee{
public Manger(){}
public Manger(String name,int age) {
super(name,age);
}
@Override
public void work() {
System.out.println(this.getName() + "老班，严格纪律管理班级");
}
}
测试类代码
package www.penglei666.com.Demo04;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Collection;
public class Test {
public static void main(String[] args) {
Collection<Teacher> list1 = new ArrayList<>();
list1.add(new Teacher("王建国",30));
list1.add(new Teacher("李树根",40));
Collection<Manger> list2 = new ArrayList<>();
list2.add(new Manger("刘邦",50));
list2.add(new Manger("李世民",22));
show(list1);
show(list2);
}
public static void show(Collection<? extends Employee> list){
for (Employee employee : list) {
employee.work();
}
}
}
第三章：数据结构-红黑树
3.1-什么是红黑树（了解）
红黑树（Red Black Tree） 是一种自平衡二叉查找树，可以通过红色节点和黑色节点尽可能的保证二叉树的平衡，从而来提高效率。
3.2-红黑树的约束和作用（了解）
约束
- 节点可以是红色的或者黑色的。
- 根节点是黑色的。
- 叶子节点(特指空节点)是黑色的。
- 每个红色节点的子节点都是黑色的。
- 任何一个节点到其每一个叶子节点的所有路径上黑色节点数相同。
作用
查询速度快，在进行插入和删除操作时通过特定操作保持二叉查找树的平衡，从而获得较高的查找性能。
比如查找15，会先和根节点13比较，比13大则查询根节点右侧并且不查询左侧数据；和17比较发现小于17，则查询17左侧不查询右侧，和15比较相等，则查找成功。
第四章：Set集合
4.1-概述（了解）
java.util.Set接口和java.util.List接口一样，同样继承自Collection接口，它与Collection接口中的方法基本一致，并没有对Collection接口进行功能上的扩充，只是比Collection接口更加严格了。与List接口不同的是，Set接口下的集合不存储重复的元素。
Set集合有多个子类，这里我们介绍其中的java.util.HashSet、java.util.LinkedHashSet这两个集合。
注意：集合取出元素的方式可以采用：迭代器、增强for。
4.2-Set集合的使用（重点）
public static void main(String[] args) {
Set<String> set = new HashSet<String>();
set.add("张三");
set.add("李四");
set.add("王五");
set.add("赵六");
set.add("陈琦");
Iterator<String> it = set.iterator();
while (it.hasNext()){
String str = it.next();
System.out.println(str);
}
for(String str : set){
System.out.println(str);
}
}
4.3-对象的哈希值（了解）
java.lang.Object类中定义了方法：public int hashCode()返回对象的哈希码值，任何类都继承Object，也都会拥有此方法。
定义Person类，不添加任何成员，直接调用Person对象的hashCode()方法，执行Object类的hashCode()：
public class Person{}
测试类
public static void main(String[] args){
Person person = new Person();
int code = person.hashCode();
}
输出结果：
142666848
看到运行结果，就是一个int类型的整数，如果将这个整数转为十六进制就看到所谓的对象地址值，但是他不是地址值，我们将他称为对象的哈希值。
Person类重写hashCode()方法：直接返回0
public int hashCode(){
return 0;
}
运行后，方法将执行Person类的重写方法，结果为0，属于Person类自定义对象的哈希值，而没有使用父类Object类方法hashCode()。
4.4-String对象的哈希值（了解）
示例代码
public static void main(String[] args){
String s1 = new String("abc");
String s2 = new String("abc");
System.out.println(s1.hashCode());
System.out.println(s2.hashCode());
}
程序分析：两个字符串对象都是采用new关键字创建的，s1==s2的结果为false，但是s1，s2两个对象的哈希值却是相同的，均为96354，原因是String类继承Object，重写了父类方法hashCode()建立自己的哈希值。
String类的hashCode方法源码分析
字符串底层实现是字符数组，被final修饰，一旦创建不能修改。
private final char value[];
定义字符串“abc”或者是new String("abc")，都会转成char value[]数组存储，长度为3。
/*
* String类重写方法hashCode()
* 返回自定义的哈希值
*/
public int hashCode() {
int h = hash;
if (h == 0 && value.length > 0) {
char val[] = value;
for (int i = 0; i < value.length; i++) {
h = 31 * h + val[i];
}
hash = h;
}
return h;
}
hashCode源码分析：
- int h = hash，hash是成员变量，默认值0，int h = 0。
- 判断h==0为true && value.length>0，数组value的长度为3，保存三个字符abc，判断结果整体为true。
- char val[] = value，将value数组赋值给val数组。
- for循环3次，将value数组进行遍历，取出abc三个字符。
- 第一次循环： h = 31 * h + val[0]，h = 31 * 0 + 97结果：h = 97。
- 第二次循环： h = 31 * 97 + val[1]，h = 31 * 97 + 98结果：h = 3105。
- 第三次循环： h = 31 * 3105 + val[2]，h = 31 * 3105 + 99结果：h = 96354。
- return 96354。
- 算法：31 * 上一次的哈希值+字符的ASCII码值，31属于质数，每次乘以31是为了降低字符串不同，但是计算出相同哈希值的概率。
4.5-哈希表（了解）
什么是哈希表呢？
在JDK1.8之前，哈希表底层采用数组+链表实现，即使用数组处理冲突，同一hash值的链表都存储在一个数组里。但是当位于一个桶中的元素较多，即hash值相等的元素较多时，通过key值依次查找的效率较低。而JDK1.8中，哈希表存储采用数组+链表+红黑树实现，当链表长度超过阈值（8）时，将链表转换为红黑树，这样大大减少了查找时间。
- 哈希表的初始化容量，数组长度为16个。
- 当数组容量不够时，扩容为原数组长度的2倍
- 加载因子为0.75。
- 指示当数组的容量被使用到长度的75%时，进行扩容。
简单的来说，哈希表是由数组+链表+红黑树（JDK1.8增加了红黑树部分）实现的，如下图所示。
哈希表存储字符对象的过程图
总而言之，JDK1.8引入红黑树大程度优化了HashMap的性能，那么对于我们来讲保证HashSet集合元素的唯一，其实就是根据对象的hashCode和equals方法来决定的。如果我们往集合中存放自定义的对象，那么保证其唯一，就必须复写hashCode和equals方法建立属于当前对象的比较方式。
HashSet存储原理图
4.6-HashSet集合的特点（了解）
- HashSet底层数据结构是单向哈希表。
- 不保证元素的迭代顺序，存储元素的顺序和取出元素的顺序不一致。
- 此集合不允许存储重复元素。
- 存储在此集合中的元素应该重写hashCode()和equals()方法保证唯一性。
- 此集合具有数组，链表，红黑树三种结构特点。
- 线程不安全，运行速度快。
4.7-HashSet存储自定义类型（重点）
给HashSet中存放自定义类型元素时，需要重写对象中的hashCode和equals方法，建立自己的比较方式，才能保证HashSet集合中的对象唯一.
创建自定义Student类：
public class Student {
private String name;
private int age;
//get/set
@Override
public boolean equals(Object o) {
if (this == o)
return true;
if (o == null || getClass() != o.getClass())
return false;
Student student = (Student) o;
return age == student.age &&
Objects.equals(name, student.name);
}
@Override
public int hashCode() {
return Objects.hash(name, age);
}
}
创建测试类：
public static void main(String[] args) {
//创建集合对象 该集合中存储 Student类型对象
HashSet<Student> stuSet = new HashSet<Student>();
//存储
stuSet.add(new Student("于谦", 43));
stuSet.add(new Student("郭德纲", 44));
stuSet.add(new Student("于谦", 43));
stuSet.add(new Student("郭麒麟", 23));
for (Student stu2 : stuSet) {
System.out.println(stu2);
}
}
4.8-哈希表源代码分析（了解）
对源码分析，可以更好的了解哈希表。
HashSet集合本身并不提供功能，底层依赖HashMap集合，HashSet构造方法中创建了HashMap对象：
map = new HashMap<>();
因此源代码分析是分析HashMap集合的源代码，HashSet集合中的add方法调研的是HashMap集合中的put方法。
HashMap无参数构造方法的分析
//HashMap中的静态成员变量
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}
解析：使用无参数构造方法创建HashMap对象，将加载因子设置为默认的加载因子，loadFactor=0.75F。
HashMap有参数构造方法分析
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
initialCapacity);
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
loadFactor);
this.loadFactor = loadFactor;
this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}
解析：带有参数构造方法，传递哈希表的初始化容量和加载因子
- 如果initialCapacity（初始化容量）小于0，直接抛出异常。
- 如果initialCapacity大于最大容器，initialCapacity直接等于最大容器
- MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30 是最大容量 (1073741824)
- 如果loadFactor（加载因子）小于等于0，直接抛出异常
- tableSizeFor（initialCapacity）方法计算哈希表的初始化容量。
- 注意：哈希表是进行计算得出的容量，而初始化容量不直接等于我们传递的参数。
tableSizeFor方法分析
static final int tableSizeFor(int cap) {
int n = cap - 1;
n |= n >>> 1;
n |= n >>> 2;
n |= n >>> 4;
n |= n >>> 8;
n |= n >>> 16;
return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}
解析：该方法对我们传递的初始化容量进行位移运算，位移的结果是 8 4 2 1 码
- 例如传递2，结果还是2，传递的是4，结果还是4。
- 例如传递3，结果是4，传递5，结果是8，传递20，结果是32。
Node 内部类分析
哈希表是采用数组+链表的实现方法，HashMap中的内部类Node非常重要
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash;
final K key;
V value;
Node<K,V> next;
Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
this.hash = hash;
this.key = key;
this.value = value;
this.next = next;
}
解析：内部类Node中具有4个成员变量
- hash，对象的哈希值
- key，作为键的对象
- value，作为值得对象（讲解Set集合，不牵扯值得问题）
- next，下一个节点对象
存储元素的put方法源码
public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
解析：put方法中调研putVal方法，putVal方法中调用hash方法。
- hash(key)方法：传递要存储的元素，获取对象的哈希值
- putVal方法，传递对象哈希值和要存储的对象key
putVal方法源码
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
解析：方法中进行Node对象数组的判断，如果数组是null或者长度等于0，那么就会调研resize()方法进行数组的扩容。
resize方法的扩容计算
if (oldCap > 0) {
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}
解析：计算结果，新的数组容量=原始数组容量<<1，也就是乘以2。
确定元素存储的索引
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
解析：i = (数组长度 - 1) & 对象的哈希值，会得到一个索引，然后在此索引下tab[i]，创建链表对象。
不同哈希值的对象，也是有可能存储在同一个数组索引下。
遇到重复哈希值的对象
Node<K,V> e; K k;
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
解析：如果对象的哈希值相同，对象的equals方法返回true，判断为一个对象，进行覆盖操作。
else {
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null);
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
解析：如果对象哈希值相同，但是对象的equals方法返回false，将对此链表进行遍历，当链表没有下一个节点的时候，创建下一个节点存储对象。
4.9-LinkedHashSet集合（重点）
具有可预知迭代顺序的 Set 接口的哈希表和链接列表实现。此实现与 HashSet的不同之外在于，后者维护着一个运行于所有条目的双重链接列表。此链接列表定义了迭代顺序，即按照将元素插入到 set 中的顺序（插入顺序）进行迭代。
public static void main(String[] args) {
Set<String> set = new LinkedHashSet<String>();
set.add("bbb");
set.add("aaa");
set.add("abc");
set.add("bbc");
Iterator<String> it = set.iterator();
while (it.hasNext()) {
System.out.println(it.next());
}
for(String s : set){
System.out.println(s);
}
}
