Java基础之-----集合框架

Java集合框架包括：— interfaces, implementations, aggregate operations, and algorithms （接口，实现，聚合操作和算法），这些组成了Java集合框架的核心。其中：

• 接口是Java集合框架的灵魂
• 实现介绍了Java一些常用的集合实现
• 聚合操作是JDK8提供的新功能，能够方便的实现集合类型的转换
• 算法定义了Java用于集合操作的多态算法

集合简介

集合，有时也称作容器，是用来存储、检索、操作和传递集合数据的。它代表同类数据的一个集合。

集合框架是用来操作集合的一个统一的框架，所有的集合框架都包括接口、实现和算法三部分。另外JDK8还新添加了聚合操作，提供了更加强大的功能。

接口是代表集合的抽象数据类型，，它使得对集合的操作独立于集合的具体实现，所有的接口通常形成层级关系。

实现是接口的具体实现类型。本质上，他们是可重用的数据类型

算法是用来对实现接口的对象执行有用的操作。算法通常具有多态行为，本质上他们是可重用的方法。

接口

核心接口是Java 集合框架的基础，Java的核心集合接口封装了很多不同类型的Java集合，他们组成了一个层级关系。如下所示：

可以看到，Java的核心集合接口，由两颗不同的层级树组成。

Java集合接口都是泛型，所以在使用的时候一定要指定接口所操作的类型，以便于编译器进行编译时类型检查，避免运行时错误。

可以看出，这个层级关系分为两个不同的树：Collection和Map，下面对这两个不同的树进行详细的介绍。

Collection ：是Java集合的根。是所有集合实现的最小公分母。

Set ：是不包含重复元素的集合，它是对数学上集合概念的建模。

SortedSet ：它是一个按升序管理元素的set，比如单词表

List ：是一个有序的集合，通常称为序列，允许包含重复元素。

Queue ：是一个用来在处理前保存数据的集合，它除了集合的操作外，还有一些额外的操作：插入、删除、检查等。通常Queue采用先进先出的顺序排列元素但不是必须的。每一个Queue 的实现，都需要指定它的排序属性，用来定义如何排序。在FIFO Queue 里，总是在头部删除，在尾部插入。不管Queue 是如何排序，总是在头部执行remov和poll操作。

Deque ：也是用来保存将要处理的数据的，除了集合操作外，添加了插入、删除、检查等操作。Deque 既可以是FIFO，也可以是LIFO的，和Queue 不同的是，Deque的两端都可以执行插入删除和检索操作。

Map ：是一个将Key映射到value的对象，不允许有重复的key，并且一个key最多只能有一个value与之对应。

SortedMap ：是一个按升序方式管理键值对的Map。

Set

Set是一个不允许有重复元素的Collection，它只有从Collection继承过来的接口，同时添加了不允许重复元素的限制，加强了对equals()和hashCode（）的定义，允许比较两个不同的实现类型的set，当且仅当两个set含有一样的元素。

Java提供了三种常用的Set的实现类：HashSet、TreeSet、LinkedHashSet。

HashSet:用HashTable存储元素，有最好的性能，但是不保证一致的迭代顺序

TreeSet:用红黑树存储元素，按值排列元素，比HashSet慢，

LinkedHashSet：用一个链表实现hash table，以插入顺序排列元素。性能和HashSet差不多。

需要主要的是HashSet的迭代和元素的总个数和Set的大小线性相关，初始大小太大，浪费了内存，太大，浪费时间。如果不指定，默认大小是16，而且的内部处理是去最接近的2的整数次幂，另外，Hashset有一个调节参数叫装填因子。LinkedHashSet有装填因子，而TreeSet没有。

Java还提供了两种特殊的实现： EnumSet 和 CopyOnWriteArraySet.

set的基本操作

Java提供了一些set的基本操作，包括：size、isEmpty 、add 、remove 、iterator。这些操作都是基本的操作，功能也一目了然。

Set的块操作

set的块操作实际执行的是集合的代数运算：包含，交并补等操作

s1.containsAll(s2)：包含

s1.addAll(s2)并集

s1.retainAll(s2)交集

s1.removeAll(s2)补集

注意:对集合进行交并补操作的时候,会改变s1,s1就是操作后的结果，也就是这些操作都有副作用。为了不改变s1，应该对s1的副本做操作。如下：

Set<Type> union = new HashSet<Type>(s1);union.addAll(s2);Set<Type> intersection = new HashSet<Type>(s1);intersection.retainAll(s2);Set<Type> difference = new HashSet<Type>(s1);difference.removeAll(s2);

这样就避免了操作的副作用。

另外，利用以上提供的块操作，我们还可以对集合求对称差集：集合的并集和集合的交集的差集就是集合的对称差集。代码如下：

Set<Type> symmetricDiff = new HashSet<Type>(s1);symmetricDiff.addAll(s2);Set<Type> tmp = new HashSet<Type>(s1);tmp.retainAll(s2);symmetricDiff.removeAll(tmp);

List

List是一个有序的Collection，也称作序列，除了Colection定义的操作外，它还添加了以下几种类型的操作

按位存取 按元素在list中的数值位置访问元素，包括：get, set, add, addAll, and remove.

其中set 和 remove返回的是操作之前的值。

定位 返回指定对象返回其在list中的位置，包括：indexOf 、 lastIndexOf.

迭代 利用list的线性特性，继承了迭代器的语法，包括： listIterator 返回的是一个ListIterator，继承自Iterator，但同时它增加了向前迭代的功能，同时也支持按位访问 范围视图 获得list任意长度的子序列，包括：sublist 对sublist的修改同样也会作用于List本身

Java提供了三种常用的List：

ArrayList：它的优点是能够实现元素的随机访问，能够利用System.arraycopy同时移动多个元素 ，它有调节参数，线程不安全

LinkedList：当需要频繁的在list的头部添加元素或者平凡的通过迭代器删除元素时，可以考虑用LInkedList。没有调节参数，同时实现了Queue接口，线程不安全 Vector:线程安全的，当需要考虑同步的时候，使用

同样，List也提高了equals 和 hashCode的要求，这样两个不同实现的list可以做逻辑上的比较操作，当且仅当两个list含有相同的元素而且顺序一样，两个list才相等。

Queue

用来保存预处理的元素，除了Collection的操作，还添加了插入、删除、检查操作，如下：

public interface Queue<E> extends Collection<E> {    boolean add(E e);    boolean offer(E e)；    E remove();    E poll();    E element();    E peek();}

所有的这六个方法可以分为两种形式：

1. 操作失败后抛出异常
2. 操作失败后返回特殊的值

通常Queue采用先进先出的顺序排列元素但不是必须的。每一个Queue 的实现，都需要指定它的排序属性，用来定义如何排序。在FIFO Queue 里，总是在头部删除，在尾部插入。不同的队列可能采取不同的排序规则。不管Queue 是如何排序，总是在头部执行remov和poll操作。

一些Queue会限制元素的个数，这样的队列是有限的，java.util.concurrent 里实现的队列都是有限的，java.util 里的实现不是的。

add 和offer

用于执行入队操作。

add用于向队列插入元素，当它用于向有界队列插入元素时，如果越界，则会抛出IllegalStateException

offer：专门用来向有界队列插入元素，不同于add是，如果越界，则返回false

remove和poll

用于执行出队操作，移除并返回队列头部的元素，但是具体哪个元素被移除，和队列的排序策略有关。两者不同之处是，当队列为空时，前者抛出NoSuchElementException，后者返回null

element和peek

返回但不移除队列头部的元素，二者的区别是，当队列为空时，前者抛出NoSuchElementException，后者返回null

队列默认是不允许插入null的，但是LinkedList实现确允许插入null。尽管如此，应当避免这种用法，因为pool和peek会使用这个特殊值。

Queue没有实现基于元素的equals和hashCode，而是继承自Object。同时也没有实现队列阻塞方法，而是在 java.util.concurrent.BlockingQueue中定义了阻塞方法，这个接口继承自Queue，这在并发编程中需要用到。

实现：LinkedList和PriorityQueue

Deque

双端队列是一个支持在两端执行插入删除操作的线性集合，它是一个比Stack和Queue丰富的抽象数据类型，因为它同时实现了Stack和Queue的功能。它提供了在两端进程插入、删除和检查元素的接口。

ArrayDeque和LinkedList都是Deque的实现类

它既可以当做FIFO队列又可以当做LIFO队列。

Deque提供了12个方法，用于对两端元素进行操作，如下：

这些方法的区别是，在操作失败是有些抛出异常，有些返回特定的值，这个和Queue类似。

同时，Deque还提供removeFirstOccurence和removeLastOccurence，这两个方法顾名思义，当不存在时返回false。

Java提供了两种常用的Deque：

LinkedList:比ArrayDeque灵活，允许插入null，但是插入和删除效率差，耗内存

ArrayDeque:性能好，节约内存，但是不允许插入null。

Map

是一个将Key映射成Value的对象，一个map不能含有重复的key，一个key最多对应一个value，它是对数学函数的抽象建模。

它主要提供

• 基本操作：put, get, remove, containsKey, containsValue, size,empty
• 块操作：putAll， clear
• 集合视图： keySet, entrySet, values

Java提供了三种常用的Map的实现类： HashMap, TreeMap, and LinkedHashMap. 和Set的常用实现一样 HashMap：key 的顺序不确定，性能最好 TreeMap ：实现了key按值的升序排列，性能比HashMap差 LinkedHashMap. key按put的先后顺序排列，性能和HashMap差不多。需要注意的是，LinkedHashMap和LinkedHashSet不同，首先，它的排序顺序是按访问的频率的高低，访问频率越低，会被排到后面，同时，LinkedHashMap提供了removeEldestEntry（），这样可以通过重写这个方法，当添加新的元素的时候，自动的删除陈旧的元素，利用它可以实现缓存cache。

同样，Map也提高了equals 和 hashCode的要求，实现不同Map实现的比较，两个map相等，当且仅当他们的映射关系相同。

对象的排序

当我们需要对一个List的元素进行排序时，可以采用如下做法

Collections.sort(list);//list是一个List类型对象

但是前提是list里的元素实现了Comparable接口，如果没有实现Comparable，那么，会抛出ClassCastException。Java提供了一些实现了Comparable接口的类。

当需要比较两个对象时，可以使用:

public interface Comparator<T> {int compare(T o1, T o2);}

接口

SortedSet

该类提供了按某种方式排序的Set。

public interface SortedSet<E> extends Set<E> {    Comparator<? super E> comparator();    //range View    SortedSet<E> subSet(E fromElement, E toElement);    SortedSet<E> headSet(E toElement);    SortedSet<E> tailSet(E fromElement);    //end point    E first();    E last();}

SortedMap

和SoredSet一样，这里就不说了。