java集合

第七章 ： java集合 
本章要点 ： 
集合的概念 和作用
java的集合体系
Collection集合的常规用法 
使用Iterator和foreach循环遍历Collection集合
HashSet,LinkedHashSet的用法
TreeSet的用法 
EnumSet的用法
List集合的常规用法
ArrayList和Vector
固定长度的List集合
LinkedList集合的用法
Queue接口
PriorityQueue的用法
Map的概念和常规用法、
HashMap和Hashtable
TreeMap的用法
集中特殊的Map实现类
Hash算法对HashSet，HashMap性能的影响
Collections工具类的用法
Emumeration迭代器的用法

java集合的用途：
可用于存储数量不等的多个对象
可用于实现常用数据结构，如栈，队列等
可用于保存具有映射关系的关联数组

java集合的三中体系： 
Set：无序，不可重复的集合
List：有序，重复的集合
Map：具有映射关系的集合

注：从jdk1.5以后，java增加了Queue体系集合：一种队列集合实现

数组的缺点：
数组的长度不可变化，如果需要保存个数变化的数据，数组就无能为力了
数组无法保存具有映射关系的数据：也叫关联数组

集合类：负责保存，盛装其他数据--->也被称为容器类。位于java.util.包下

集合和数组的区别：
数组元素既可以是基本类型的值，也可以使对象
集合只能保存对象

java集合类的由来：主要由两个接口派生而出，Collection和Map
Collection(Set,Queue,List)
Set(EnumSet,SortedSet(TreeSet),HashSet(LinkedHashSet))
Queue(Deque(LinkedList),Priority)
List(LinkedList,ArrayList,Vector(Stack))

Map(EnumMap,IdentityHashMap,HashMap(LinkedHashMap),Hashtable(Properties),SortedMap(TreeMap),WeakHashMap)

Iterator接口与Collection集合和Map集合的区别：
Collection集合和Map集合：用于盛装其他对象
Iterator接口：用于遍历(即迭代访问)Collection集合中的元素
     Iterator对象也被称为迭代器

Iterator接口定义了单个方法：
boolean hasNext():如果被迭代的结合元素还没有被遍历，则返回true
Object next():返回集合里下一个元素
void remove():删除集合里上一次next方法返回的元素

结论1：当使用Iterator对集合元素进行迭代时，Iterator并不是吧集合元素本身传给了迭代变量，而是把集合元素的值传给了迭代变量，所以修改迭代变量的值对集合本身没有任何改变。

结论2：当使用Iterator来迭代访问Collection集合元素时，Collection集合里德元素不能被改变，只有通过Iterator的remove方法来删除上一次next方法返回的集合元素才可以，否则将会英法java.util.ConcurrentModificationException异常。

Iterator迭代器机制：快速失败(fail-fast)机制
  用途：避免共享资源而英法德潜在问题

foreach循环：foreach循环中的迭代变量的值也不是集合元素本身，系统知识一次吧集合元素的值赋给迭代变量，所以在foreach循环中修改迭代变量的值也没有任何实际意义。

Set集合：Set集合与Collection基本上完全一样，它没有提供任何额外的方法，实际上Set就是Collection，只是行为不同(Set不允许包含重复元素)

Set集合特点：如果试图把两个相同元素加入同一个Set集合中，则添加操作失败。add方法返回false，且新元素不会被加入。

Set判断两个对象相同的方法：
根据equals方法：

HashSet具有的特点：
不能保证元素的排列顺序，顺序有可能发生变化
HashSet不是同步的，如果多个线程同时访问一个Set集合，如果多个线程同时访问一个HashSet，如果有2条或者2条以上线程同时修改了HashSet集合时，必须通过代码来保证期同步。
集合元素值可以使null

HashSet与Set用法区别：如果有两个元素通过equals方法比较返回true，但他们的hashCode()方法返回值不相等，HashSet将会把它们存储在不同位置，也就可以添加成功。

HashSet集合判断两个元素相等的标准：两个对象通过equals方法基表相等，并且两个对象的hashCode()方法返回值也相等。

注意：如果需要把一个对象放入HashSet中时，如果重写该对象对应类的equals()方法，也应该重写其hashCode()方法，其规则是：如果2个对象通过equals方法比较返回true时，这两个对象的hashCode也应该相同。

注：如果HashSet中包含两个元素有相同的hashCode值，将会导致性能下降。

数组时所有能存储一组元素里最快的数据结构

为什么HashSet方法用hashCode而不用数组：
因为数组元素的索引时连续的，而且数组的长度是固定的，无法自由增加数组的长度。

HashSet中每个存储元素的”槽位slot“通常称为”桶“(bucket).

重写hashCode()方法的基本规则：
当两个对象通过equals方法比较返回true时，这两个对象的hashCode应该相等。
对象中用作equals比较标准的属性，都应该用来计算hashCode值
重写hashCode()的方式：
1.对象每个有意义的属性f(即每个用作equals()比较标准的属性)计算出一个int类型的hashCode值。

当向HashSet中添加可变对象时，必须十分小心，如果修改HashSet集合中的对象，有可能导致该对象与集合中其他对象相等，从而导致HashSet无法准确访问该对象。

HashSet子类：LinkedHashSet
LinkedHashSet需要维护元素的插入顺序，因此性能略低于HashSet的性能，但在迭代访问Set里德全部元素时将有很好的性能，因为它以链表来维护内部顺序。

TreeSet是SortedSet接口的唯一实现，TreeSet可以确保集合元素处于排序状态。
TreeSet并不是根据元素的插入顺序进行排序，而是根据元素实际值来进行排序的。
TreeSet采用红黑树的数据结构对元素进行排序。
TreeSet惊醒排序的规则：支持两种排序方法：
自然排序(默认)和定制排序，
自然排序:
TreeSet会调用集合元素的compareTo(Object obj)方法来比较元素之间的大小关系，然后将集合元素按升序排列，这种方式就是自然排序

如果试图把一个对象添加进TreeSet时，则该对象的类必须实现Comparable接口，否则程序将会跑出异常。

当把一个对象加入TreeSet集合中时，TreeSet调用该对象的compareTo(Object obj)方法与容器中的其他对象比较大小，然后根据红黑树算法决定它的存储位置。如果两个对象通过compareTo(Object obj)比较相等，TreeSet即认为他们应存储同一位置。

TreeSet集合判断两个对象不想等的标准是：
两个对象通过equals方法比较返回false或通过compareTo(Object obj)比较没有返回0--->及时两个对象是同一个对象，TreeSet也会把它当成两个对象进行处理。

注意：当需要把一个对象放入TreeSet中，重写该对象对应类的equals()方法时，应保证该方法与compareTo(Object obj)方法有一致的结果。
TreeSet中重写该对象对应类的equals()方法的规则：
如果两个对象通过equals方法比较返回true时，这两个对象通过compareTo(Object obj)方法比较应返回0.

如果向TreeSet中添加一个可变对象后，并且后面程序修改了该可变对象的属性，导致它与其他对象的大小顺序发生了改变，但TreeSet不会再次调整他们的顺序，甚至可能导致TreeSet中保存着两个对象，他们通过equals方法比较返回true，compareTo(Object obj)方法比较返回0.

推荐：为了让程序更加健壮，推荐HashSet和TreeSet集合中只放入不可变对象。

定制排序：
如何实现定制排序：需要在创建TreeSet集合对象时，并提供一个Comparator对象与该TreeSet集合关联，由该Comparator对象负责集合元素的排序逻辑。

注意：使用定制排序时，TreeSet对集合元素排序时不管集合元素本身的大小，而是由Comparator对象负责集合元素的排序规则。

EnumSet类是一个专为枚举类设计的集合类，指定了枚举类型(创建EnumSet时显式或隐式的指定)，EnumSet集合元素时有序的，以枚举值在Enum类内的定义顺序来决定集合元素的顺序。

EnumSet在内部以位响亮的形式存储:这种存储形式非常紧凑，高效，EnumSet对象占用内存很小，而且运行效率很好。尤其是当进行批量操作(如调用containsALL和retainALL方法)时，如其参数也是EnumSet集合，则该批量操作的执行速度也非常快。

EnumSet集合不允许加入null元素，否则抛出空指针异常。如果是测试null元素或删除都不会抛出异常，只是删除操作返回false，因为没有任何null元素被删除。

EnumSet类应该通过它提供的static方法来创建EnumSet对象。
EnumSet可以复制另一个EnumSet集合中所有元素来穿件新的EnumSet。
EnumSet可以复制另一个Collection集合中所有元素来创建新的EnumSet。要求Collection集合中所有元素必须是同一个枚举类的枚举值。

HashSet和TreeSet时Set的两个典型实现，如何选择HashSet和TreeSet？
HashSet的性能总是比TreeSet好(特别是最常用的添加，查询元素等操作)，因为TreeSet需要额外的红黑树算法来维护集合元素的次序。只有当需要一个保持排序的Set时，才应该使用TreeSet，否则都应该使用HashSet。
EnumSet是所有Set实现类中性能最好的，但它只能保存同一个枚举类的枚举值作为集合元素。

注意：Set的三个实现类HashSet，TreeSet和EnumSet都是现成不安全的。必须手动保证该Set集合的同步性。通常可以通过Collection工具类的synchronizedSSortedSet方法来”包装“该Set集合。此操作最好在创建时进行，以防止对Set集合的意外非同步访问：
SortedSet s = Collextions.synchronizedSortedSet(new TreeSet(....));

List接口集合代表一个有序集合，集合中国每个元素都有其对应的顺序索引。List集合允许使用重复元素，可以通过索引来访问指定位置的集合元素。List集合默认按元素的添加顺序设置元素的索引。

List增加了一种新的遍历集合元素的方法;使用普通for循环来遍历集合元素。
List判断两个对象相等只要通过equals方法比较返回true即可。
ListIterator()方法：
返回一个ListIterator对象，继承Iterator接口，提供了专门操作List的方法。

ArrayList和Vector类都是基于数组实现的List类，所以ArrayList和Vector类封装了一个动态再分配的Object[]数组。

ArrayList和Vector的显著区别是：ArrayList是线程不安全的，但Vector集合则是线程安全的，无须程序保证该集合的同步性。所以Vector的性能比ArrayList的性能低。

Collection工具类，可以讲一个ArrayList变成线程安全的。所以还是不推荐使用Vector类。

Vector提供了一个Stack子类，用于模拟栈这种数据结构。栈通常是指后进先出(LIFO)的容器。push进栈pop出栈

LinkedList是一个基于链表实现的List类，对于顺序访问集合中的元素进行了优化，特别是当插入，删除元素时速度非常快，因为LinkedList既实现了List接口，也实现了Deque接口(双向队列)。

Arrays：是操作数组的工具类。该工具类提供了asList(Object...a)方法，该方法可以把一个数组或指定个数的对象转换成一个List集合，这个List集合既不是ArrayList实现类的实例，也不是Vector实现类的实例，而是Arrays的内部类ArrayList的实例。

Arrays.ArrayList是一个固定长度的List集合，程序只能遍历访问该集合里的元素，不可增加，删除该集合里的元素。

Queue接口：用于模拟队列这种数据结构。队列通常是指”先进先出FIFO“的容器。

队列的特性：
新元素插入(offer)到队列的尾部
访问元素(poll)操作会返回队列头部的元素
队列不允许随机访问队列中的元素

LinkedList实现类:
LinkedList不仅可以当成双向队列使用，也可以当成栈使用，因为该类里海包含了pop出栈和push入栈两个方法。还实现了List接口，可以被当成List使用。

LinkedList与ArrayList，Vector的区别：
实现机制完全不同：ArrayList，Vector内部以数组的形式来保存集合中的元素，因此随机访问集合元素上有较好的性能。
LinkedList内部以链表的形式来保存集合中的元素，因此随机访问集合元素时性能较差，但在插入，删除元素时性能非常出色(只需要改变指针所指的地址即可)。实际上，Vrctor因为事先了线程同步功能，所以各方面性能都有所下降。
对于所有内部基于数组的集合实现：ArrayList，Vector使用随机访问的速度比使用Iterator迭代访问的性能要好，因为随机访问会被映射成数组元素的访问。

关于使用List集合有如下建议：
如果需要遍历List集合元素，对于ArrayList，Vector集合，则应该使用随机访问方法(get)来遍历集合元素，这样性能更好，对于LinkedList集合，则应该采用迭代器(Iterator)来遍历集合元素。
如果需要经常执行插入，删除操作来改变List集合的大小，则应该使用LinkedList集合，而不是ArrayList。使用ArrayList,Vector集合将需要经常重新分配内部数组的大小，其时间开销常常是使用LinkedList时时间开销的几十倍，效果很差。
如果多线程需要同时访问List集合中元素，可以考虑使用Vector这个同步实现。

PriorityQueue实现类：是一个比较标准的队列实现类。
PriorityQueue保存队列元素的顺序并不是按加入队列的顺序，而是按队列元素的大小进行重新排序。因此当调用peek方法或poll方法来取出队列中的元素时，并不是取出最先进入队列的元素，而是取出队列中最小的元素。而不是先进先出FIFO。

PriorityQueue不允许插入null元素，它还需要对队列元素进行排序，队列元素有两种排序方式：
自然排序：采用自然顺序的PriorityQueue集合中的元素必须实现了Comparator接口，而且应该是同一类的对个实例，否则可能导致ClassCastException异常。
定制排序：创建PriorityQueue队列时，传入一个Comparator对象，该对象负责对队列中所有元素进行 排序。采用定制排序时不要求队列元素实现Comparable接口。

Map
Map用于保存具有映射关系的数据，key和value都可以使任何引用类型的数据。Map的key不允许重复，即同一个Map对象的任何两个key通过equals方法比较总是返回false。

Map包含了一个keySet()方法，用于返回Map所有key组成的Set集合。

Map有时也被称为字典，或关联数组。
Map中包括一个内部类：Entry。该类封装了一个key-value对。

HashMap和Hashtable实现类：
Hashtable时一个古老的Map实现类。
Hashtable和HashMap存在两点典型的区别：
Hashtable时一个线程安全的Map实现，但HashMap时线程不安全的实现，所以HashMap比Hashtable的性能高一点：但如果有多条线程访问同一个Map对象时，使用Hashtable实现类会更好。
Hashtable不允许使用null作为key和value，否则将会引发空指针异常。但HashMap可以使用null作为key或value。

HashMap重写toString()方法，实际所有Map实现类都重写了toString()方法，调用Map对象的toString()方法总是返回如下格式字符串：
{key1=value，key2=value2...}

可以通过Collection工具类来把HashMap变成线程安全的，无须使用Hashtable实现类。

为了在HashMap，Hashtable中存储，获取对象，用作key的对象必须实现hashCode方法和equals方法。

HashMap，Hashtable判断两个key相等的标准：
两个key通过equals方法比较返回true，两个key和hashCode值也相等。

HashMap，Hashtable中包含一个containsValue方法用于判断是否包含指定的value。

HashMap，Hashtable判断两个value相等的标准更简单:
只要两个对象通过equals比较返回true即可。

注意：当使用自定义类作为HashMap，Hashtable的key时，如果重写该类的equals(Object obj)和(hashCode)方法，应该保证两个方法的判断标准一致：当连个key通过而equals方法比较返回true时，两个key的hashCode值也应该完全相同，所以HashMap，Hashtable对key的要求与HashSet对集合元素的要求完全相同。

与HashSet类似的是：尽量不要使用可变对象作为HashMap，Hashtable的key，如果确实需要使用可变对象作为HashMap，Hashtable的key，则尽量不要再程序中修改作为key的可变对象。

LinkedHashMap使用双向链表来维护key-value对的次序，该链表定义了迭代顺序，该迭代顺序与key-value对的插入顺序保持一致。

LinkedHashMap需要维护元素的插入顺序，因此性能略低于HashMap的性能。但在迭代访问Map里德全部元素时将有很好的性能，因为它以链表来维护内部顺序。

Properties类是Hashtable类的子类。Properties类可以把Map对象和属性文件关联起来，从而可以把Map对象中的key-value对写入属性文件，也可以把属性文件中的属性名=属性值加载到Map对象中。属性文件里德属性名，属性值只能是字符串类型。

SortedMap接口和TreeMap实现类
TreeMap是基于红黑树对TreeMap中所有key进行排序，从而保证TreeMap中多有key-value对处于有序状态。
TreeMap的两种排序方式：
自然排序：TreeMap的所有key必须实现Comparable接口，而且所有key应该是同一个类的对象，否则将会抛出ClassCastException异常。
定制排序：创建TreeMap时，传入一个Comparator对象，该对象负责对TreeMap中所有key进行排序，采用定制排序时不要求Map的key实现Comparable接口。
注意：TreeMap的全部key则以TreeSet的形式存储；TreeMap对key的要求与TreeSet对元素的要求基本一致。

WeakHashMap实现类:
WeakHashMap与HashMap的用法基本相似；区别在于：
HashMap的key保留对实际对象的强引用，这意味着只要该对象不被销毁，该HashMap对象所有key所引用的对象不会被垃圾回收，HashMap也不会自动删除这些key所对应的key-value对象；、
WeakinsHashMap的key值保留对实际对象的弱引用，这意味着如果该HashMap对象所有key所引用的对象没有被其他强引用变量所引用，则这些key所引用的对象可能被垃圾回收，HashMap也可能自动删除这些key所对应的key-value对象。

IdentityHashMap实现类
实现机制：与HashMap基本相似。
但它在处理两个key相等时比较独特：在IdentityHashMap中当且仅当两个key严格相等(key1==key2)时，IdentityHashMap才认为两个key相等，对于普通HashMap而言，只要key1和key2通过equals比较返回true，且他们的hashCode值相等即可。///281

EnumMap实现类
EnumMap中所有的key都必须是单个枚举类的枚举值。
创建EnumMap时必须显式或隐式的指定它的对应的枚举类。
EnumMap在内部以数组形式保存，所以这种实现实行非常紧凑，高效。
EnumMap根据key的自然顺序(即枚举值在枚举类中的定义顺序)来维护key-value对的次序。
EnumMap不允许使用null作为key值，但允许使用null作为value。如果试图使用null作为key将跑出空指针异常。如果仅仅只是查询是否包含值为null的key，或者仅仅只是使用删除值为null的key，都不会抛出异常。
与创建普通Map有所区别的是，创建EnumMap时必须指定一个枚举类，从而将该EnumMap和指定枚举类关联起来。

Map的常用实现类的效率：
HashMap和Hashtable的效率大致相同，因为他们的实现机制几乎完全一样，但HashMap通常比Hashtable要快一点，因为Hashtable额外实现同步操作。
TreeMap通常比HashMap，Hashtable要慢(尤其在插入，删除key-value对的时候更慢)，因为TreeMap需要额外的红黑树操作来维护key之间的次序。但是用TreeMap有一个好处：TreeMap中的key-value对总是处于有序状态，无须专门进行排序操作。当TreeMap被填充之后，就可以调用keySetk()，取得由key组成的Set，然后是用toArray()生成key的数组。接下来是用Arrays的binarySearch()方法在已排序的数组中快读的查询对象。
HashMap正是为快速查询而设计的。
如果需要是用Map还是应该首选HashMap实现，除非需要一个总是拍好序的Map时，才是用TreeMap。

LinkedHashMap比HashMap慢一点，因为它需要维护链表来保持Map中key的顺序。IdentityHashMap性能没有特别之处，因为它采用与HashMap基本相似的实现，只是它是用==而不是equal是来判断元素相等。EnumMap性能最好，但它 只能是用同一个枚举类的枚举值作为key。

HashSet和HashMap的性能选项
hash表里可以存储元素的位置被称为桶bucket。
通常情况下，单个桶里存储一个元素，此时有最好的性能.
hash算法可以根据hashCode值计算出桶的存储位置，接着从桶中取出元素。但hash表的状态为open：当发生hash冲突的情况下，单个桶会存储多个元素，这些元素以链表存储，必须按顺序搜索。

HashSet和Hashtable，HashMap都是使用hash算法累决定其元素(对HashMap则是key)的存储，因此HashSet，HashMap的hash表包含如下属性：
容量：hash表中桶的数量
初始化容量：创建hash表时桶的数量。HashMap和HashSet都允许在构造器中指定初始化容量。
尺寸：当前散列表中记录的数量
负载因子：负载因子等于size/capacity。负载因子为0，表示空的hash表，0.5表示半满的散列表，，以此类推，轻负载的散列表具有冲突少，适宜插入与查询的特点(但是使用Iterator迭代元素时会变慢)。
负载极限：是一个0-1的数值，负载极限决定了hash表中的最大填满程度。当hash表中的负载因子到达指定的负载极限时，hash表会自动成倍的增加容量，并将原有的对象重新分配，放入新的桶内，这称为rehashing。

HashSet，HashMap，Hashtable的构造器允许指定一个负载极限，默认的都为0.75.

默认负载极限的相关说明：是时间和空间成本上的一种折中：
较高的负载极限可以降低hash表所占用的内存空间，但会增加查询数据的时间开销。而查询是最频繁的操作(HashMap的get()与put())方法都要用到查询
较低的负载极限会增加查询数据的性能，但会降低hash表所占用的内存空间开销。
通常情况下，程序员无须改变HashSet和HashMap的负载极限值。

是用足够大的初始化容量创建HashSet和HashMap，Hashtable，可以更有效的增加记录，，但将初始化容量设置的太高可能会浪费空间，因为通常不要将初始化容量设置的太高。

操作集合的工具类：Collections
java提供了一个操作Set，List和Map等集合的工具类：Collections。
排序操作：
用于对List集合元素进行排序：
reverse,shuffle,sort，swap,rotate
同步控制：
Collections类中提供了多个synchronizedXxx方法，该方法返回指定集合对象对应的同步对象，从而可以解决多线程并发访问集合时的线程安全问题。
java中常用的集合框架中推荐使用的三个实现类：HashSet，ArrayList和HashMap都是线程不安全的。Collections 提供了多个静态方法用于创建同步集合。

设置不可变集合：
Collections提供如下三类方法来返回一个不可变的集合：
emptyXxx()，singletonXxx(),unmodifiableXxx().
上面三类方法的参数是原来的集合对象，返回值是该集合的只读版本。通过上面Collections提供三类方法，可以生成只读的Collection或Map。

本章小结：
本章详细介绍了java集合框架的相关知识，本章从java的集合框架体系开始讲起，概述了java集合框架的三个主要体系：Set，List和Map，并简述了集合在编程中的重要性。本章细致的讲述了Set，List。Queue，Map接口及各实现类的详细用法，并深入分析了各种实现类实现机制的差异，并给出选择集合实现类时的原则。本章从原理上剖析了Map结构和Set，List之间的区别和联系。本章最后还通过梭哈游戏来示范了Collections工具类的基本用法。