66从零开始学Java之集合中的Collection体系

作者：孙玉昌，昵称【一一哥】，另外【壹壹哥】也是我哦

千锋教育高级教研员、CSDN博客专家、万粉博主、阿里云专家博主、掘金优质作者

前言

截止到今天，我们《从零开始学Java系列》的文章已经要到一个新的阶段了。在此之前，我们学习了Java里的各种基础知识，包括环境配置、基本语法、分支循环、数组、常用类等。而从今天开始，壹哥要给大家介绍另一个我们开发时特别常用的知识点--集合！

其实我们之前学习的数组也是集合的一种，但数组的结构比较简单，并且自身也存在一些天生的缺陷，比如数组的长度是不可修改的。然而在很多情况下，我们在开发时并不能直接确定数据的数量，这就导致我们在开发时不能频繁地使用数组。所以就需要有一种新的存储数据的结构出现，这就是集合类存在的意义。接下来我们就先从整体上来了解一下集合是怎么回事，希望大家能够通过最近的几篇文章，熟练掌握集合的使用和原理。

-----------------------------------------------前戏已做完，精彩即开始---------------------------------------------

全文大约【4400】字，不说废话，只讲可以让你学到技术、明白原理的纯干货！本文带有丰富的案例及配图视频，让你更好地理解和运用文中的技术概念，并可以给你带来具有足够启迪的思考......

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一一哥/从零开始学Java

一. 集合简介

1. 数组缺陷

只要是内部能够持有若干个其他Java对象，并对外提供了访问接口的Java对象，都属于集合。根据之前我们对数组的认知，数组其实也是一种集合，也可以将不同类型的数据存储起来。既然如此，我们为什么还要搞出来一种新的存储结构来进行数据的存储呢？这主要是因为数组自身存在一些缺陷。

我们虽然可以使用数组来保存多个对象，但数组的长度不可变！也就是说，一旦我们在初始化数组时指定了数组的长度，这个数组的长度就不可变了。如果我们要保存数量不断变化的数据，使用数组的效率就会很差。

另外数组也不能保存具有映射关系的数据。有时候我们想根据某个关键字查找到对应的值，数组是做不到的。比如我们想存储学生的成绩信息，”语文—89“，”数学—60“，数组就很难表达出这种一对一的映射关系。

正因如此，数组难以满足我们在开发时的一些需求，所以这就需要有新的存储结构出现，那么集合也就应运而生了。

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2. 集合概念

我们可以把集合理解成是一种用于存放对象的容器，可以保存数量不确定的数据，以及保存具有映射关系的数据(也被称为关联数组)。它就好比是一个锅、一个碗，里面可以存储适当的数据元素，所以集合就是“由若干个确定的数据元素所构成的整体”，负责保存、盛装其他数据，故也被称为容器类。集合的概念在很多编程语言中都有，并不是Java独有的技术。

Java中的集合其实可以理解成是一个”统称“，它实际上主要包括了两种类型的容器，一种是用于存储单个数据元素的Collection集合，属于单列集合，另一种是可以存储键/值对映射关系的Map集合，属于双列集合。这两个集合接口都是集合的根接口，它们各自又包含了一些子接口或实现类。其中Collection集合又包括3种子类型：List、Set和Queue，而Map集合又包括AbstractMap、SortedMap和HashTable等，如下图所示：

Java所有的集合类都位于java.util包下，提供了一个表示和操作对象集合的统一构架，内部包含了大量集合接口，以及这些接口的实现类和操作它们的算法。

接口：代表了集合的抽象数据类型，例如Collection、List、Set、Map等。集合中定义多个接口，是为了能够以不同的方式操作集合对象；
实现类：代表了集合接口的具体实现，例如ArrayList、LinkedList、HashSet、HashMap等。本质上它们都是可重复使用的数据结构；
算法：代表了实现集合接口的对象在执行的一些计算功能，例如搜索和排序等。这些算法都是多态的表现，因为相同的方法可以在相似的接口上有着不同的实现。

另外集合类和数组不一样，数组里的元素既可以是基本类型的值，也可以是对象(实际保存的是对象的引用变量)，而集合里只能保存对象(实际上是保存的对象引用变量，但通常习惯上我们认为集合里保存的是对象)。

3. 集合特点

从集合的设计实现来看，Java集合中的接口和实现类进行了分离，比如有序表的接口是List，而具体实现类则是ArrayList、LinkedList等。另外集合还支持泛型，使得一个集合只能存放同一种数据类型的元素。

集合包括List、Set、Map等几种不同的实现形式，从功能上来看，它们也有各自的特点：

List集合：List集合是一个有序的、可重复的集合，各个元素对象之间有指定的顺序，且允许出现重复元素和多个值为null的元素对象。
Set集合：Set集合是一个不可重复的集合，各个元素对象之间没有指定的顺序，元素不允许出现重复值，且只允许有一个值为null的元素对象。
Map集合：Map集合是一个无序的，具有唯一key键，但值不唯一的集合，元素允许出现重复值，且元素可以根据索引进行查找。

4. 集合分类

根据上面的描述和集合架构图，我们知道，Java中的集合其实可以分为两大类，若干子类：

Collection：属于单列集合，内部包括List、Set和Queue等子类，其中List是一种有序列表的集合，Set是可以保证没有重复元素的集合。
Map：属于双列集合，是可以通过键值(key-value)查找的映射表集合，内部包括AbstractMap、SortedMap和HashTable等子类。

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5. 核心接口

在上面的描述中，壹哥给大家说过，组成集合的架构包括了各种接口，这些常用的接口作用如下：

接口名称	作用
Iterator接口	Iterator迭代器是集合类的输出接口，主要用于遍历输出(即迭代访问)Collection集合中的元素。迭代器是集合接口的父接口，子类实现Collection接口时也必须实现Iterator接口。
Collection接口	Collection是List、Set和Queue的父接口，是存放一组单值的最大接口。所谓的单值，是指集合中的每个元素都是一个对象，但我们一般很少直接使用此接口进行直接操作。
Queue接口	Queue是Java提供的实现队列，有点类似于List。
Dueue接口	Dueue是Queue的子接口，是一个双向队列。
List接口	List是最常用的集合接口。List是有序的集合，允许有相同的元素。我们使用List能够精确地控制每个元素插入的位置，用户能够使用索引(即元素在List中的位置，类似于数组下标)来访问List中的元素，这与数组类似。
Set接口	Set中不能包含重复的元素。
Map接口	Map是存放键值对的接口，该接口中的每个元素都是成对出现，以key-value的形式保存。

6. 常用实现类

我们在开发时常用List、Set和Map这3种集合接口，而常用的集合实现类则是ArrayList、LinkedList、HashSet、TreeSet、HashMap、TreeMap等。

类名称	作用
ArrayList	ArrayList是基于可变数组实现的List，优点是可以进行快速地随机访问，查询效率高，但数据的增删改操作速度较慢。
LinkedList	LinkedList是基于链表实现的List，对顺序访问进行了优化，数据的增删改操作效率较高，但随机访问的速度相对较慢。
HashSet	HashSet是基于HashMap实现的Set，底层使用HashMap来保存所有的数据元素，内部实现比较简单，优化了査询速度。
TreeSet	TreeSet是一个有序的Set子类，我们可以从中提取一个有序序列。
HashMap	HashMap是根据哈希算法来进行键值对存取的Map集合，属于双列集合。
TreeMap	TreeMap是可以对键对象进行排序的Map集合。

7. 过时API

集合作为Java里特别常用和重要的API，可以说几乎每个Java项目都有集合的身影。但是集合结构从JDK 1.0开始就被设计出来，其设计实现非常久远，中间经历了几次大的修改。这就像一个庞大的机器经历了几十年的修修补补，虽然性能依然强悍，但也存在一些不适合继续使用的过时API，比如：

Vector：一种线程安全的List实现类，不推荐使用；
Stack：基于Vector实现的LIFO的栈，不推荐使用；
Hashtable：一种线程安全的Map实现，不推荐使用；
Enumeration<E>：已被Iterator<E>取代，不推荐使用。

以上这些API都已被遗弃，开发时请大家尽量不要再使用。另外现在我们只是简单地认识一下集合中的接口和个别实现类，后面壹哥再详细地给大家进行进行介绍，先不要着急哦。

二. Collection接口

在上面的内容中，壹哥说过，集合主要有两大接口，即Collection和Map，而Collection接口其实又是List和Set的父接口。在开始详细学习List和Set集合类之前，我们先来搞清楚Collection是怎么回事。

1. 简介

Collection接口是List、Set和Queue的父接口，在开发时我们不会直接使用该接口，而是会使用该接口的某个具体实现子类。Collection接口里定义了List/Set/Queue的一些通用方法，这些方法可以操作List、Set和Queue集合，实现对集合基本的添加、删除、判断等操作。

2. 方法

下面是Collection接口中定义的一些常用方法，我们可以先来了解一下这些常用方法的含义，以后开发时这些方法都很常用。

方法名称	说明
boolean add(E e)	向集合中添加一个元素，添加成功后返回true，E是指数据元素的数据类型。
boolean addAll(Collection c)	向集合中添加另一个集合c的所有元素，添加成功后返回true。
void clear()	清除集合中的所有元素，将集合长度变为0。
boolean contains(Object o)	判断集合是否存在指定的元素。
boolean containsAll(Collection c)	判断一个集合是否包含另一个集合c的所有元素。
boolean isEmpty()	判断集合是否为空。
Iterator<E> iterator()	返回一个Iterator对象，用于遍历集合中的元素。
boolean remove(Object o)	从集合中删除一个指定的元素，当集合中包含一个或多个元素o时，该方法只会删除第一个符合条件的元素，删除成功后返回true。
boolean removeAll(Collection c)	从集合中删除所有在集合c中出现的元素，删除成功后返回true。
boolean retainAll(Collection c)	从集合中删除所有不在集合c里的元素，删除成功后返回true。
int size()	返回集合的元素个数。
Object[] toArray()	将集合转换成一个数组，所有的集合元素会变成对应的数组元素。

因为Collection是一个接口，所以我们不能对其直接进行实例化操作，上述表格中的这些方法，我们需要先创建出某个具体的实现类对象进行调用，比如调用ArrayList对象的相关方法。

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三. Iterator迭代器

1. 简介

我们可以使用Iterator迭代器对集合进行遍历，Iterator迭代器是集合类的输出接口，主要用于进行遍历输出(即迭代访问)Collection集合中的每个元素。迭代器是集合接口的父接口，子类实现Collection接口时也必须实现Iterator接口。不同的List对象调用iterator()方法时，会返回不同实现的Iterator对象，该Iterator对象对集合总是具有最高的访问效率。

2. 迭代原理

所谓的迭代，其实是一个重复反馈过程的活动，也就是一遍又一遍地执行相似的任务，其目的通常是为了逼近所需的目标或结果。每一次对过程的重复称为一次“迭代”，而每一次迭代得到的结果又会作为下一次迭代的初始值。迭代器的工作原理如下图所示：

3. 基本使用

Iterator迭代器的使用其实也很简单，主要是有两个常用方法，如下所示：

boolean hasNext()：该方法用于判断集合中是否还有下一个元素；
E next()：该方法用于返回集合的下一个元素。

import java.util.Iterator;
import java.util.List;

public class Demo02 {
	public static void main(String[] args) {
		//List遍历方式一，普通for循环：
		List<String> list = List.of("java", "大数据", "壹壹哥");
		for(int i=0;i<list.size();i++) {
			System.out.println("遍历方式一，值="+list.get(i));
		}
		
		//List遍历方式二，迭代器：
		Iterator<String> it = list.iterator();
        while(it.hasNext()){
        	//取出下一个值
            String value = it.next();
            System.out.println("遍历方式二，值="+value);
        }

        //List遍历方式三，增强for循环：内部会自动使用Iterator
		for(String item:list) {
			System.out.println("遍历方式三，item="+item);
		}
	}
}

4. 潜在问题

我们在使用迭代器时，有可能会出现如下若干问题需要我们注意：

迭代器迭代完成后，迭代器的位置在最后一位，所以迭代器只能迭代一次；
迭代器在迭代时，不要多次调用next()方法，否则可能会出现NoSuchElementException异常；
迭代器在迭代时，不能向集合中添加或删除元素，否则会出现ConcurrentModificationException异常。

-----------------------------------------------正片已结束，来根事后烟---------------------------------------------