集合基础

1. 集合的由来

当 Java 程序中需要存放数据的时候，通常会定义变量来实现数据的存储，但是，当需要存储大量数据的时候该怎么办呢？这时首先想到的是数组，但是！数组只能存放同一类型的数据，而且其长度是固定的，那怎么办了？集合便应运而生了。

2. 集合是什么

Java 集合类存放在 java.util 包中，是一个用来存放对象的容器。

集合的特点：

1. 集合只能存放对象。比如将一个 int 型数据存入集合中时，它会自动转换成 Integer 类后存入集合（自动装箱操作），Java 中每一种基本数据类型都有对应的引用类型（封装类）。
2. 集合存放的都是对象的引用，而非对象本身。所以我们称集合中的对象就是集合中对象的引用。对象本身还是放在堆内存中。
3. 集合可以存放不同类型，不限数量的数据类型。

3. Java 集合框架

通过上面的图可以发现：

1. 集合主要分为 Collection 和 Map 两个接口。
2. Collection 接口依赖了 Iterator 接口。
3. Collection 又分别被 List 和 Set 继承。
4. List 被 AbstractList 实现，然后分为 3 个子类，ArrayList，LinkList 和 VectorList。
5. Set 被 AbstractSet 实现，又分为 2 个子类，HashSet 和 TreeSet。
6. Map 被 AbstractMap 实现，又分为 2 个子类，HashMap 和 TreeMap。
7. Map 被 Hashtable 实现。

下面就围绕这些接口、抽象类和实现类来讲解。

4. Iterator 迭代器

1. Iterator 是一个用来遍历集合中元素的接口，主要有 hashNext()，next()，remove() 三种方法。
2. 它的子接口 ListIterator 在它的基础上又添加了三种方法，分别是 add()，previous()，hasPrevious()。
3. 它是 Java 集合的顶层接口（不包括 map 系列的集合，Map 接口是 *Map 系列集合的顶层接口）
   • Object next()：返回迭代器刚越过的元素的引用，返回值是 Object，需要强制转换成自己需要的类型。
   • boolean hasNext()：判断容器内是否还有可供访问的元素。
   • void remove()：删除迭代器刚越过的元素。

总结：除了 Map 系列的集合，我们都能通过迭代器来对集合中的元素进行遍历。

示例代码

Iterator it =  hashSet.iterator();
while(it.hasNext()){
    int i = (int)it.next();
}

5. Collection 接口介绍

Collection 的作用就是规定了一个集合有哪些基本的操作。

• int size()　获取元素个数

• boolean isEmpty()　是否个数为零

• boolean contains(Object element)　是否包含指定元素

• boolean add(E element)　添加元素，成功时返回 true

• boolean remove(Object element)　删除元素，成功时返回 true

• Iterator<E> iterator()　获取迭代器

• Object[] toArray()　返回一个包含集合中所有元素的数组

• <T> T[] toArray(T[] a)　返回一个包含集合中所有元素的数组，运行时根据集合元素的类型指定数组的类型

6. List 介绍

Java 的 List 是非常常用的数据类型。List 是有序的 Collection。Java 的 List 有三个常用的实现类：分别是 ArrayList、Vector 和 LinkedList。

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        LinkedList<Student> list = new LinkedList<>();
        list.add(new Student(3,"king"));
        list.add(new Student(1,"david"));
        list.add(new Student(2,"tom"));
        list.add(new Student(3,"king"));
        for (Student student : list) {
            System.out.println(student);
        }
        list.sort(new StudentComp());
        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            System.out.println(list.get(i));
        }
    }
}

6.1 ArrayList（数组）

ArrayList 是最常用的 List 实现类，内部是通过数组实现的，它允许对元素进行快速随机访问。数组的缺点是每个元素之间不能有间隔，当数组大小不满足时需要增加存储能力，就要将已经有数组的数据复制到新的存储空间中。当从 ArrayList 的中间位置插入或者删除元素时，需要对数组进行复制、移动代价比较高。因此，它适合随机查找和遍历，不适合插入和删除。

6.2 Vector（数组实现、线程同步）

Vector 与 ArrayList 一样，也是通过数组实现的，不同的是它支持线程的同步，即某一时刻只有一个线程能够写 Vector，避免多线程同时写而引起的不一致性，但实现同步需要很高的花费，因此访问它比访问 ArrayList 慢。

6.3 LinkList（链表）

LinkedList 是用链表结构存储数据的，很适合数据的动态插入和删除，随机访问和遍历速度比较慢。另外，他还提供了 List 接口中没有定义的方法，专门用于操作表头和表尾元素，可以当作堆栈、队列和双向队列使用。

新添加的方法：

• addFirst()
• removeFirst()
• addLast()
• removeLast()
• getFirst()
• getLast()

7. Set 介绍

Set 注重独一无二的性质，该体系集合用于存储无序 (存入和取出的顺序不一定相同) 元素，值不能重复。对象相等的本质是由对象 hashCode 值（java 是依据对象的内存地址计算出的此序号）判断得出的，如果想要让两个不同的对象视为相等的，就必须覆盖 Object 的 hashCode 方法和 equals 方法。

7.1 HashSet（Hash 表）

哈希表里存放的是哈希值。HashSet 存储元素的顺序并不是按照存入时的顺序（和 List 显然不同） 而是按照哈希值来存的，所以取数据也是按照哈希值获取。

元素的哈希值是通过元素的 hashcode 方法来获取的，HashSet 首先判断两个元素的哈希值，如果哈希值一样，接着会比较 equals 方法，如果 equals 结果为 true ，HashSet 就视为同一个元素；如果 equals 为 false 就不是同一个元素。

哈希值相同 equals 为 false 的元素是怎么存储呢？就是在同样的哈希值下顺延（可以认为哈希值相同的元素放在一个哈希桶中），也就是哈希值一样的存一列。

如图 1 表示 hashCode 值不相同的情况，图 2 则表示 hashCode 值相同，但 equals 不相同的情况。

HashSet 通过 hashCode 值来确定元素在内存中的位置。一个 hashCode 位置上可以存放多个元素。

7.2 TreeSet（二叉树）

TreeSet() 是使用二叉树的原理对新 add() 的对象按照指定的顺序排序（升序、降序），每增加一个对象都会进行排序，将对象插入的二叉树指定的位置。

Integer 和 String 对象都可以进行默认的 TreeSet 排序，而自定义类的对象是不可以的，自定义的类必须实现 Comparable 接口。

比较器

• 当两个对象进行比较的时候，需要定义比较规则。这时候就需要使用比较器。
• 比较器由两种：内部比较器（Comparable）和外部比较器（Comparator）。

在覆写 compareTo() 函数时，要返回相应的值才能使 TreeSet 按照一定的规则来排序比较此对象与指定对象的顺序。如果该对象小于、等于或大于指定对象，则分别返回负整数、零或正整数。

基本类型（不要比较器

Set set = new TreeSet();
set.add(6);
set.add(3);
set.add(5);
set.add(7);
set.add(2);
set.add(9);
for (Object obj : set) {
    System.out.println((int)obj);
}

注意：基本类型和 String 不需要比较器是因为封装类和 String 类都实现了 Comparable 接口。

自定义类型（需要比较器）

Student 类

public class Student implements Comparable<Student>{
    private int stuNo;
    private String stuName;

    public Student(final int stuNo, final String stuName) {
        this.stuNo = stuNo;
        this.stuName = stuName;
    }

    @Override
    public int compareTo(Student student) {
        return student.stuName.compareTo(this.stuName) ;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Student [stuName=" + stuName + ", stuNo=" + stuNo + "]";
    }

    public int getStuNo() {
        return stuNo;
    }

    public void setStuNo(int stuNo) {
        this.stuNo = stuNo;
    }

    public String getStuName() {
        return stuName;
    }

    public void setStuName(String stuName) {
        this.stuName = stuName;
    }

}

测试类

public static void main(String[] args) {
        Set set = new TreeSet();// 声明集合时需要定义比较器
        set.add(new Student(3,"david"));
        set.add(new Student(1,"tom"));
        set.add(new Student(2,"king"));
        for (Object obj : set) {
            System.out.println((Student)obj);
        }
}

7.3 LinkHashSet（HashSet+LinkedHashMap）

对于 LinkedHashSet 而言，它继承于 HashSet、又基于 LinkedHashMap 来实现的。

LinkedHashSet 底层使用 LinkedHashMap 来保存所有元素，它继承于 HashSet，其所有的方法操作上与 HashSet 相同，因此 LinkedHashSet 的实现上非常简单，只提供了四个构造方法，并通过传递一个标识参数，调用父类的构造器。

8. Map 介绍

Map 是一种特殊的集合，它使用键 - 值对的方式存储数据，通常是通过键来获得值。

• key-value 对应的模式
• key 不能重复的，value 可以重复的。
• Map.keySet() 获得 map 中所有的 key。
• Map.values() 获得 map 中所有的 value。

8.1 HashMap（线程不安全）

HashMap 根据键的 hashCode 值存储数据，大多数情况下可以直接定位到它的值，因而具有很快的访问速度，但遍历顺序却是不确定的。 HashMap 最多只允许一条记录的键为 null，允许多条记录的值为 null。HashMap 非线程安全，即任一时刻可以有多个线程同时写 HashMap，可能会导致数据的不一致。

8.2 HashTable（线程安全）

Hashtable 是遗留类，很多映射的常用功能与 HashMap 类似，不同的是它承自 Dictionary 类，并且是线程安全的，任一时间只有一个线程能写 Hashtable，并发性不如 ConcurrentHashMap，因为 ConcurrentHashMap 引入了分段锁。Hashtable 不建议在新代码中使用，不需要线程安全的场合可以用 HashMap 替换，需要线程安全的场合可以用 ConcurrentHashMap 替换。

8.3 TreeMap（可排序）

TreeMap 实现 SortedMap 接口，能够把它保存的记录根据键排序，默认是按键值的升序排序，也可以指定排序的比较器，当用 Iterator 遍历 TreeMap 时，得到的记录是排过序的。如果使用排序的映射，建议使用 TreeMap。在使用 TreeMap 时，key 必须实现 Comparable 接口或者在构造 TreeMap 传入自定义的 Comparator，否则会在运行时抛出 java.lang.ClassCastException 类型的异常。

8.4 LinkHashMap（记录插入顺序）

LinkedHashMap 是 HashMap 的一个子类，保存了记录的插入顺序，在用 Iterator 遍历 LinkedHashMap 时，先得到的记录肯定是先插入的，也可以在构造时带参数，按照访问次序排序。

9. 泛型

Java 泛型（generics）是 Java 5 中引入的一个新特性，泛型提供了编译时类型安全监测机制，该机制允许程序员在编译时监测非法的类型。

众所周知，集合对象中存储的都是 Object 类型的对象，存储元素时，元素类型可以自动转换为 Object。当需要读取元素时则需要强制将 Object 类型转换成对应的子类型，这种操作是不安全的行为。使用泛型可以约束存入数据类型，提高数据的安全性。

泛型的本质是参数化类型，也就是所操作的数据类型被指定为一个参数。

泛型概念

• 泛型：是一种约束，可以在代码编译阶段对存储于集合的数据进行类型控制。
• 泛型擦除：泛型是提供给 javac 编译器使用的，它用于限定集合的输入类型，让编译器在源代码级别上。但编译器编译完带有泛形的 Java 程序后，生成的 class 文件中将不再带有泛形信息，以此使程序运行效率不受到影响，这个过程称之为 “擦除”。

集合中使用泛型：

//使用了泛型后，集合中的数据只能存入泛型定义的类型。并且在操作的时候不需要类型转换。
ArrayList<String> stuNameList = new ArrayList<>();
stuNameList.add("david");
stuNameList.add("tom");
stuNameList.add("king");
for (String stuName: stuNameList){
  System.out.println(stuName);
}

注意：泛型仅在编译中进行类型约束，在编译后的代码中没有泛型，底层还是类型转换的，也就是泛型擦除。

泛型除了在集合中使用外，还有三种常用的使用方式：泛型类，泛型接口和泛型方法。

• 泛型类

/*
    1: 把泛型定义在类上
    2: 类型变量定义在类上, 方法中也可以使用
 */
public class ObjectTool<T> {
  private T obj;

  public T getObj() {
    return obj;
  }

  public void setObj(T obj) {
    this.obj = obj;
}

• 泛型接口

//同泛型类类似
public interface Man<T>{
    public T getMan();
}

• 泛型方法

// 定义泛型方法..
public <T> void show(T t) {
System.out.println(t);
}