Java Collections Framework

集合OR 容器

通常我们会用数组去保存一些基本数据类型，数组是编译器支持的类型，但是数组的一个明显缺点就是具有固定尺寸，而在一般情况下，只有在程序运行的时候，我们才能知道要保存的具体数目。

Java类库提供了一套相当完善的容器框架（Collections Framework）来解决这个问题。其中基本的类型是List、Set、Queue和Map。这些对象类型也被称为集合类，但是由于Java中使用了Collection这个名称指代该类库的一个子集，所以一般使用更广泛的术语“容器”来称呼它们。

容器的基本任务是保存对象，更准确的说是保存对象的引用。但是各种容器的实现是存在很大差异的，没有一种容器是绝对优秀的能够适应所有的应用场景，所以我们需要了解各种容器的底层实现，然后根据实际的情况选择合适的容器。从下面的这张容器的分类图中就能看到Collections Framework的庞大，而且这还不包括Queue接口的实现（PriorityQueue以及各种风格的BlockingQueue等）、ConcurrentMap接口实现、CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet、EnumSet和EnumMap、以及Collections工具类中的多个工具方法。

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Interface接口规范：Collections Framework定义了一些接口规范，那些常用的容器都会继承某些接口规范，每一种接口都对应给出相应的抽象类，如果类库提供的容器不能很好的完成你指定的任务，你可以扩写这些抽象类的子类，定制自己的容器。

Collection接口：仅仅表示一组对象的集合，而没有指定对象的存放次序，以及能否包含重复元素，Collection接口自身还继承了Iterator接口。

下面要说的很多容器都实现了Collection接口，包括List、Set、Queue、Deque等接口。需要注意的是，同为容器的Map没有实现Collection接口。

Collection接口定义了容器最基本的一些特性，包含以下的接口方法定义：

• size方法：返回容器中元素的个数
• isEmpty方法：返回容器是否为空
• contains方法：返回容器中是否包含某个元素
• iterator方法：返回容器的迭代器
• add方法：用于向容器中添加元素
• remove方法：用于删除容器中的元素
• clear方法：清空容器中的元素
• toArray方法：将容器类转成相应的对象数组

List接口：List继承于Collection接口，表示一个有序容器，容器内的元素会按照加入的顺序有序的存放，允许出现重复的元素，可以基于元素位置的访问。

List接口在Collection接口的基础上加上了以下方法的定义，

• get方法：获取指定位置的元素
• set：将指定位置设置成指定的元素
• indexOf：获取指定元素在容器中的位置
• listIterator：返回ListIterator类型的迭代器
• subList：根据区间位置，获取容器的子容器

List接口的常见实现类有ArrayList、LinkedList、Vector等

Set接口：继承于Collection接口，特点是不能存放相同的元素，对有序性没有要求，Set接口中的方法定义基本和Collection接口一致，没有加入新的方法定义。

常见的Set接口的实现有HashSet、SortedSet接口

Queue接口：继承于Collection接口，是一个被定义用来存放一系列等待进行某个过程元素的容器，除了一些基本的容器操作，Queue队列还提供了一些额外的插入、提取和检查的操作。

Queue接口中定义以下的方法：

• add方法：将指定的元素插入此队列（如果立即可行且不会违反容量限制），在成功时返回 true，如果当前没有可用的空间，则抛出 IllegalStateException。
• offer方法：将指定的元素插入此队列（如果立即可行且不会违反容量限制），当使用有容量限制的队列时，此方法通常要优于 add(E)，后者可能无法插入元素，而只是抛出一个异常。
• peek方法：获取但不移除此队列的头；如果此队列为空，则返回 null。
• pool方法：获取并移除此队列的头；如果此队列为空，则返回 null。
• remove方法：获取并移除此队列的头。

包括Deque、BlockingQueue接口都直接继承与Queue接口

Map接口：是一个关于key（键）和value（值）的映射集合，每一个key对应一个value。

Map接口中定义的一些基本方法：

• size方法：返回容器中元素的个数
• put方法：向容器中加入元素
• remove方法：删除容器中元素
• isEmpty方法：判断容器是否为空
• contains方法：判断容器是否包含指定元素
• clear方法：清除容器中的元素
• keySet方法：返回Map的key集合，是Set类型的

实现了Map接口的一些类：HashMap、Hashtable、WeakHashMap、SynchronizedMap、ConcurrentMap接口等

Deque接口：继承于Queue接口，在JDK1.6中被加入，也叫做双端队列，即可以在队列的两端进行插入和提取操作。

Deque接口在Queue接口的基础上，加上了addFirst、addLast、offerFirst、offerLast等方法，分别表示这些操作可以在两端进行。

常见的Deque的实现类：ArrayDeque、ConcurrentLinkedDeque、LinkedList、BlockingDeque等。

Collections Framework中还包含一些其他的接口，但基本由上述接口扩展而来，如SortedSet、SortedMap、BlockingQueue、BlockingDeque、ConcurrentMap等

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通用的一些实现类

类库提供了一些非常有用的基于上述接口的容器实现类，并且能够很好的胜任日常开发中的大部分的场景。

HashSet：基于Set接口的Hash表的实现，比较全面的实现了Set接口。元素在容器的中的顺序是无序的，底层是基于HashMap的实现，key表示set容器中国的值，value都是一个相同的对象，HashMap的put方法。

TreeSet：基于红黑树实现，继承于NavigableSet接口，NavigableSet也就是SortedSet的扩展，具有了为给定搜索目标报告最接近匹配项的导航方法。

LinkedHashSet：继承与HashSet类，实现了Set接口，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。

ArrayList：实现了List接口，底层基于数组实现，对元素的随机访问速度较快，但是插入和删除操作速度较慢。

LinkedList：实现了List接口和Deque接口，底层是双重链表实现，对于元素的插入和删除操作较快，但是随机访问的性能较差。当通过队列使用时，LinkedList表现为一个FIFO队列。

ArrayDeque：实现了Deque，是Deque接口一个非常高效的基于数组的实现。

PriorityQueue：是一个基于优先级堆的无界优先级队列

HashMap：基于哈希表的Map接口的实现，允许使用NULL值和key，除了非同步和可以使用null之外，和HashTable大致相同，

TreeMap：基于红黑树的NavigableMap实现，其中的映射根据其键的自然顺序或者创建的时候提供的Comparator进行排序。

LinkedHashMap：Map接口的哈希表和链表实现，具有可预期的迭代顺序。

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包装实现类

在java.util.Collections工具类中提供了一系列的静态内部类容器，这些内部类也实现了Collection接口，并且具有各自的特性，可以分为以下三类：

• Collections.unmodifiableInterface：返回指定Interface类型的容器，但是不允许用户去修改它们。相当于原来容器的一个不能修改的视图。
• Collections.synchronizedInterface：返回指定interface类型的容器，但是是线程安全的。
• Collections.checkedInterface：返回指定 interface 的一个动态类型安全视图。试图插入一个错误类型的元素将导致立即抛出ClassCastException。

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基于特点目的的实现：

WeakHashMap：我们说容器是用来保存对象的，更准确的说是用来保存对象的引用，如果一个长生命周期的容器，保持着一个无用对象的引用，就会造成GC无法回收。weakHashMap以弱键 实现的基于哈希表的 Map。在 WeakHashMap 中，当某个键不再正常使用时，将自动移除其条目。更精确地说，对于一个给定的键，其映射的存在并不阻止垃圾回收器对该键的丢弃，这就使该键成为可终止的，被终止，然后被回收。丢弃某个键时，其条目从映射中有效地移除，因此，该类的行为与其他的Map 实现有所不同。

IdentityHashMap：此类利用哈希表实现Map 接口，比较键（和值）时使用引用相等性代替对象相等性。换句话说，在IdentityHashMap 中，当且仅当 (k1==k2) 时，才认为两个键 k1 和 k2 相等。

CopyOnWriteArrayList：ArrayList的一个线程安全的变体，其中所有可变操作（add、set 等等）都是通过对底层数组进行一次新的复制来实现的，一般需要很大的开销。

CopyOnWriteArraySet：内部使用CopyOnWriteArrayList的Set

EnumSet：与枚举类型一起使用的专用的Set实现。枚举 set 中所有键都必须来自单个枚举类型，该枚举类型在创建 set 时显式或隐式地指定。
EnumMap：与枚举类型一起使用的专用的Map实现。枚举映射中所有键都必须来自单个枚举类型，该枚举类型在创建映射时显式或隐式地指定。枚举映射在内部表示为数组。此表示形式非常紧凑且高效。

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用于并发用用的实现类：

ConcurrentLinkedQueue：一个基于链接节点的无界的线程安全的队列，按照FIFO原则对元素进行排序。

ConcurrentHashMap：支持获取的完全并发和更新的所期望可调整并发的哈希表，是基于非阻塞实现的。

LinkedBlockingQueue：一个基于已链接节点的、范围任意的blocking queue，也是按照FIFO排序元素。

PriorityBlockingQueue：一个带有优先级的阻塞队列的实现。

其他的并发容器可以在java.util.concurrent包下面找到