Collection，List，Set和Map用法和区别

Collection，List，Set和Map用法和区别

作者：zccst

 

 

Java spring MVC框架的调用关系是弄明白了，可是发现后面要走的路还很长，有很多东西对我还是很神秘，比如list，set，map等，今天就来一一解开他们的面纱。当还还有一大堆需要记忆的系统已经封装好的类、接口等等，这些内容会在以后，慢慢道来。

 

首先看一下他们之间的关系

Collection          接口的接口  对象的集合
├List                   子接口     按进入先后有序保存  可重复
│├LinkedList                接口实现类  链表  插入删除  没有同步  线程不安全
│├ArrayList                  接口实现类  数组  随机访问  没有同步  线程不安全
│└Vector                      接口实现类  数组                同步       线程安全
│　└Stack
└Set                   子接口      仅接收一次，并做内部排序

├HashSet

│　└LinkedHashSet
└TreeSet

 

对于List，关心的是顺序，它保证维护元素特定的顺序（允许有相同元素），使用此接口能够精确的控制每个元素插入的位置。用户能够使用索引（元素在List中的位置，类似于数组下标）来访问List中的元素。

对于Set，只关心某元素是否属于Set（不允许有相同元素），而不关心它的顺序。

 

Map                接口     键值对的集合
├Hashtable                  接口实现类                 同步        线程安全
├HashMap                   接口实现类                 没有同步   线程不安全

│├LinkedHashMap

│└WeakHashMap

├TreeMap
└IdentifyHashMap

对于Map，最大的特点是键值映射，且为一一映射，键不能重复，值可以，所以是用键来索引值。方法put(Objectkey, 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”。

Map同样对每个元素保存一份，但这是基于"键"的，Map也有内置的排序，因而不关心元素添加的顺序。如果添加元素的顺序对你很重要，应该使用 LinkedHashSet或者LinkedHashMap.

对于效率，Map由于采用了哈希散列，查找元素时明显比ArrayList快。

 

 

但我有一个自己的原则想法：复杂的问题简单化。即把很多晦涩难懂的问题用通俗直白的话，一下子就看明白了，而不是大段大段的写。不得不指出的是现在部分所谓的“专家”往往把简单的问题复杂化，让人看了生畏，甚至望而却步，以此来显示他的高深莫测，当然也可能有别的用意，那我就不得而知了。

 

更为精炼的总结：

Collection是对象集合，Collection有两个子接口List和Set

List可以通过下标(1,2..)来取得值，值可以重复

而Set只能通过游标来取值，并且值是不能重复的

ArrayList，Vector，LinkedList是List的实现类

ArrayList是线程不安全的，Vector是线程安全的，这两个类底层都是由数组实现的

LinkedList是线程不安全的，底层是由链表实现的 

Map是键值对集合

HashTable和HashMap是Map的实现类  
HashTable是线程安全的，不能存储null值  
HashMap不是线程安全的，可以存储null值  

 

 

所以，如果你是想在一个很短的时间来弄明白这些问题，比如1~2分钟。没有也不想花大量时间于此，那么建议你现在就可以收兵走人了。

 

如果你想对此做一个详细的了解，请继续看下去。

 

众所周知，Java来源于C++，屏蔽了其底层实现，简化了对底层实现的管理，使开发者专注于上层功能的实现。在C/C++里关于数据的存储需要程序员非常清楚，而Java程序员可以完全不管这些，那么，Java是怎么管理的呢？其实Java还是需要面临这些问题，只不过经过封装后，变得面目全非。所以对于像我这种从C/C++转向Java的人还需要一段时间适应，Collection、List、Set、Map等概念还需要一个接受的过程。其实到后来发现，不管是什么语言，其底层存储不外乎数组、线性表、栈、队列、串、树和图等数据结构。想明白了这些，一切都敞亮了。

 

一、容器（Collection）接口
　 　容器（Collection）是最基本的集合接口，一个容器（Collection）保存一组对象（Object），即对象是容器的元素（Elements）。一些 Collection允许相同的元素而另一些不行。一些能排序而另一些不行。Java SDK不提供直接继承自Collection的类，Java SDK提供的类都是继承自Collection的“子接口”如List和Set。
　　所有实现Collection接口的类都必须提供两个标准的构造函数：无参数的构造函数用于创建一个空的Collection，有一个 Collection参数的构造函数用于创建一个新的Collection，这个新的Collection与传入的Collection有相同的元素。后一个构造函数允许用户复制一个Collection。
　　如何遍历Collection中的每一个元素？不论Collection的实际类型如何，它都支持一个iterator()的方法，该方法返回一个迭代子，使用该迭代子即可逐一访问Collection中每一个元素。典型的用法如下：
　　　　Iterator it = collection.iterator(); // 获得一个迭代子
　　　　while(it.hasNext()) {
　　　　　　Object obj = it.next(); // 得到下一个元素
　　　　}

 

 

由Collection接口派生的两个接口是List和Set。List按对象进入的顺序保存对象，不做排序或编辑操作。Set对每个对象只接受一次，并使用自己内部的排序方法(通常，你只关心某个元素是否属于Set,而不关心它的顺序--否则应该使用List)。

 

1，List接口
　　List是有序的Collection，次序是List最重要的特点：它保证维护元素特定的顺序。使用此接口能够精确的控制每个元素插入的位置。用户能够使用索引（元素在List中的位置，类似于数组下标）来访问List中的元素，这类似于Java的数组。和下面要提到的Set不同，List允许有相同的元素。
　 　除了具有Collection接口必备的iterator()方法外，List还提供一个listIterator()方法，返回一个ListIterator接口，和标准的Iterator接口相比，ListIterator多了一些add()之类的方法，允许添加，删除，设定元素，还能向前或向后遍历。
　　实现List接口的常用类有LinkedList，ArrayList，Vector和Stack。其中，最常用的是LinkedList和 ArrayList两个。

LinkedList类
　 　LinkedList实现了List接口，允许null元素。此外LinkedList提供额外的addFirst(),addLast(), getFirst(), getLast(), removeFirst(), removeLast(), insertFirst(),insertLast()方法在 LinkedList的首部或尾部，这些方法（没有在任何接口或基类中定义过）使LinkedList可被用作堆栈（stack），队列（queue）或双向队列（deque）。

注意LinkedList没有同步方法。如果多个线程同时访问一个List，则必须自己实现访问同步。一种解决方法是在创建List时构造一个同步的List：
　　　　List list = Collections.synchronizedList(new LinkedList(...));

特点：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。)

ArrayList类
　　ArrayList是由数组实现的List，并且实现了可变大小的数组。它允许所有元素，包括null。ArrayList没有同步。size，isEmpty，get，set方法运行时间为常数。但是add方法开销为分摊的常数，添加n个元素需要O(n)的时间。其他的方法运行时间为线性。
　 　每个ArrayList实例都有一个容量（Capacity），即用于存储元素的数组的大小。这个容量可随着不断添加新元素而自动增加，但是增长算法并没有定义。当需要插入大量元素时，在插入前可以调用ensureCapacity方法来增加ArrayList的容量以提高插入效率。
　　和LinkedList一样，ArrayList也是非同步的（unsynchronized）。

 

特点：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。

 

Vector类
　 　Vector非常类似ArrayList，但是Vector是同步的。由Vector创建的Iterator，虽然和ArrayList创建的 Iterator是同一接口，但是，因为Vector是同步的，当一个Iterator被创建而且正在被使用，另一个线程改变了Vector的状态（例如，添加或删除了一些元素），这时调用Iterator的方法时将抛出ConcurrentModificationException，因此必须捕获该异常。

   Stack 类：Stack继承自Vector，实现一个后进先出的堆栈。Stack提供5个额外的方法使得Vector得以被当作堆栈使用。基本的push和pop 方法，还有peek方法得到栈顶的元素，empty方法测试堆栈是否为空，search方法检测一个元素在堆栈中的位置。Stack刚创建后是空栈。

2，Set接口
　　Set具有与Collection完全一样的接口，因此没有任何额外的功能，不像前面有几个不同的List。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）。其次，Set是一种不包含重复的元素的Collection，加入Set的元素必须定义equals()方法以确保对象的唯一性（ 即任意的两个元素e1和e2都有e1.equals(e2)=false），与List不同的是，Set接口不保证维护元素的次序。最后，Set最多有一个null元素。
　　很明显，Set的构造函数有一个约束条件，传入的Collection参数不能包含重复的元素。
　　请注意：必须小心操作可变对象（Mutable Object）。如果一个Set中的可变元素改变了自身状态导致Object.equals(Object)=true将导致一些问题。

HashSet类

为快速查找设计的Set。存入HashSet的对象必须定义hashCode()。

 

LinkedHashSet类：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。

 

TreeSet类

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。

 

 

二、Map接口
　 　请注意，Map没有继承Collection接口，Map提供key到value的映射，你可以通过“键”查找“值”。一个Map中不能包含相同的key，每个key只能映射一个 value。Map接口提供3种集合的视图，Map的内容可以被当作一组key集合，一组value集合，或者一组key-value映射。

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。

Map同样对每个元素保存一份，但这是基于"键"的，Map也有内置的排序，因而不关心元素添加的顺序。如果添加元素的顺序对你很重要，应该使用 LinkedHashSet或者LinkedHashMap.

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（在下面总结二：需要的注意的地方有更进一步探讨）。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。此方法能够显著提高性能。

Hashtable类
　　Hashtable继承Map接口，实现一个key-value映射的哈希表。任何非空（non-null）的对象都可作为key或者value。
　　添加数据使用put(key, value)，取出数据使用get(key)，这两个基本操作的时间开销为常数。
    Hashtable 通过初始化容量(initialcapacity) 和负载因子(load factor)两个参数调整性能。通常缺省的load factor 0.75较好地实现了时间和空间的均衡。增大load factor可以节省空间但相应的查找时间将增大，这会影响像get和put这样的操作。
    使用Hashtable的简单示例如下，将1，2，3放到Hashtable中，他们的key分别是”one”，”two”，”three”：
　　　　Hashtable numbers = new Hashtable();
　　　　numbers.put(“one”, new Integer(1));
　　　　numbers.put(“two”, new Integer(2));
　　　　numbers.put(“three”, new Integer(3));
　　要取出一个数，比如2，用相应的key：
　　　　Integer n = (Integer)numbers.get(“two”);
　　　　System.out.println(“two = ” + n);
　 　由于作为key的对象将通过计算其散列函数来确定与之对应的value的位置，因此任何作为key的对象都必须实现hashCode方法和equals方法。hashCode方法和equals方法继承自根类Object，如果你用自定义的类当作key的话，要相当小心，按照散列函数的定义，如果两个对象相同，即obj1.equals(obj2)=true，则它们的hashCode必须相同，但如果两个对象不同，则它们的hashCode不一定不同，如果两个不同对象的hashCode相同，这种现象称为冲突，冲突会导致操作哈希表的时间开销增大，所以尽量定义好的hashCode()方法，能加快哈希表的操作。
　　如果相同的对象有不同的hashCode，对哈希表的操作会出现意想不到的结果（期待的get方法返回null），要避免这种问题，只需要牢记一条：要同时复写equals方法和hashCode方法，而不要只写其中一个。
　　Hashtable是同步的。

HashMap类
　 　HashMap和Hashtable类似，也是基于散列表的实现。不同之处在于HashMap是非同步的，并且允许null，即null value和null key。将HashMap视为Collection时（values()方法可返回Collection），插入和查询“键值对”的开销是固定的，但其迭代子操作时间开销和HashMap 的容量成比例。因此，如果迭代操作的性能相当重要的话，不要将HashMap的初始化容量(initial capacity)设得过高，或者负载因子(load factor)过低。

　　LinkedHashMap 类：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。

 

WeakHashMap类：弱键（weak key）Map是一种改进的HashMap，它是为解决特殊问题设计的，对key实行“弱引用”，如果一个key不再被外部所引用（没有map之外的引用），那么该key可以被垃圾收集器(GC)回收。

 

TreeMap类

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。

IdentifyHashMap类

使用==代替equals()对“键”作比较的hashmap。专为解决特殊问题而设计。

 

 

总结一：比较

1，数组(Array)，数组类(Arrays)

Java所有“存储及随机访问一连串对象”的做法，array是最有效率的一种。但缺点是容量固定且无法动态改变。array还有一个缺点是，无法判断其中实际存有多少元素，length只是告诉我们array的容量。

 

Java中有一个数组类(Arrays)，专门用来操作array。数组类(arrays)中拥有一组static函数。

equals()：比较两个array是否相等。array拥有相同元素个数，且所有对应元素两两相等。

fill()：将值填入array中。

sort()：用来对array进行排序。

binarySearch()：在排好序的array中寻找元素。

System.arraycopy()：array的复制。

 

若编写程序时不知道究竟需要多少对象，需要在空间不足时自动扩增容量，则需要使用容器类库，array不适用。

 

2，容器类与数组的区别

容器类仅能持有对象引用（指向对象的指针），而不是将对象信息copy一份至数列某位置。一旦将对象置入容器内，便损失了该对象的型别信息。

 

3，容器(Collection)与Map的联系与区别

Collection类型，每个位置只有一个元素。

Map类型，持有 key-value 对(pair)，像个小型数据库。

 

Collections是针对集合类的一个帮助类。提供了一系列静态方法实现对各种集合的搜索、排序、线程完全化等操作。相当于对Array进行类似操作的类——Arrays。

如，Collections.max(Collection coll); 取coll中最大的元素。

   Collections.sort(List list); 对list中元素排序

 

List，Set，Map将持有对象一律视为Object型别。

Collection、List、Set、Map都是接口，不能实例化。继承自它们的 ArrayList, Vector, HashTable, HashMap是具象class，这些才可被实例化。

vector容器确切知道它所持有的对象隶属什么型别。vector不进行边界检查。

 

 

总结二：需要注意的地方

1、Collection只能通过iterator()遍历元素，没有get()方法来取得某个元素。

2、Set和Collection拥有一模一样的接口。但排除掉传入的Collection参数重复的元素。

3、List，可以通过get()方法来一次取出一个元素。使用数字来选择一堆对象中的一个，get(0)...。(add/get)

4、Map用 put(k,v) /get(k)，还可以使用containsKey()/containsValue()来检查其中是否含有某个key/value。

HashMap会利用对象的hashCode来快速找到key。

哈希码(hashing)就是将对象的信息经过一些转变形成一个独一无二的int值，这个值存储在一个array中。我们都知道所有存储结构中，array查找速度是最快的。所以，可以加速查找。发生碰撞时，让array指向多个values。即，数组每个位置上又生成一个梿表。

5、Map中元素，可以将key序列、value序列单独抽取出来。

使用keySet()抽取key序列，将map中的所有keys生成一个Set。

使用values()抽取value序列，将map中的所有values生成一个Collection。

为什么一个生成Set，一个生成Collection？那是因为，key总是独一无二的，value允许重复。

 

总结三：如何选择
从效率角度：

在各种Lists，对于需要快速插入，删除元素，应该使用LinkedList（可用LinkedList构造堆栈stack、队列queue），如果需要快速随机访问元素，应该使用ArrayList。最好的做法是以ArrayList作为缺省选择。Vector总是比ArrayList慢，所以要尽量避免使用。

在各种Sets中，HashSet通常优于HashTree（插入、查找）。只有当需要产生一个经过排序的序列，才用TreeSet。HashTree存在的唯一理由：能够维护其内元素的排序状态。

 

在各种Maps中HashMap用于快速查找。

最后，当元素个数固定，用Array，因为Array效率是最高的。

所以结论：最常用的是ArrayList，HashSet，HashMap，Array。

 

更近一步分析：

如果程序在单线程环境中，或者访问仅仅在一个线程中进行，考虑非同步的类，其效率较高，如果多个线程可能同时操作一个类，应该使用同步的类。
要特别注意对哈希表的操作，作为key的对象要同时正确复写equals方法和hashCode方法。
尽量返回接口而非实际的类型，如返回List而非ArrayList，这样如果以后需要将ArrayList换成LinkedList时，客户端代码不用改变。这就是针对抽象编程。

 

注：本文参考部分网络文献。