Java集合相关的List、Set、Map基础知识

一、集合介绍

二、List

三、Map

HashMap的数据结构

如何理解红黑树

四、set

一、集合介绍

在Java中，集合是一种用于存储对象的数据结构，它提供了一种更加灵活和强大的方式来处理和操作数据。Java集合框架提供了一系列接口和类，用于表示和操作不同类型的集合。

图片来源：《面渣逆袭手册》V1.1

其中 Collection 是集合 List 、 Set 的父接口，它主要有两个子接口：

        List ：存储的元素有序，可重复。（相当于是个篮子，临时给你放数据用的）

        Set ：存储的元素无序，不可重复。（去重的List，放进去的东西如果一样，后面的会把前面的覆盖掉，得到的是个无重复值的列表）

        Map 是另外的接口，是键值对映射结构的集合。（Map是个键值对，可以实现用a来搜b的作用，比如用用户的id搜用户的名称之类的操作）

以下是Java中常见的集合：

List（列表）：
- ArrayList：基于数组实现的动态数组，支持快速随机访问元素，但插入和删除操作效率较低。
- LinkedList：基于链表实现的双向列表，插入和删除操作效率较高，但访问元素的效率较低。
- Vector：与 ArrayList 类似，但是线程安全的，不推荐在新代码中使用。
- Stack：基于 Vector 实现的栈，通常用于实现后进先出（LIFO）的数据结构。
Set（集合）：
- HashSet：基于哈希表实现的集合，不保证元素的顺序。
- TreeSet：基于红黑树实现的有序集合，可以按照自然顺序或者自定义顺序对元素进行排序。
- LinkedHashSet：具有预期插入顺序的集合，内部使用链表维护元素的顺序。
Map（映射）：
- HashMap：基于哈希表实现的映射，键值对无序。
- TreeMap：基于红黑树实现的有序映射，键值对按照键的自然顺序或者自定义顺序进行排序。
- LinkedHashMap：具有预期插入顺序的映射，内部使用链表维护键值对的顺序。
Queue（队列）：
- PriorityQueue：基于堆实现的优先级队列，按照元素的优先级顺序进行排序。

此外，Java集合框架还包括一些接口和抽象类，如 Collection、Map、Iterator 等，它们提供了一组通用的操作和方法，可以方便地对集合进行操作和遍历。

二、List

在 Java 中，ArrayList 和 LinkedList 是两种常见的集合实现，它们有以下主要区别：

内存分配：
- ArrayList：使用连续的内存空间来存储元素。
- LinkedList：使用链式存储结构，内存空间不连续，它们在空间占用上都有一些额外的消耗。
- ArrayList 是预先定义好的数组，可能会有空的内存空间，存在一定空间浪费
  
  LinkedList 每个节点，需要存储前驱和后继，所以每个节点会占用更多的空间
随机访问：
- ArrayList：基于数组，所以它可以根据下标查找，支持快速的随机访问，通过索引可以快速获取元素。
- LinkedList：基于链表，所以它没法根据序号直接获取元素，在随机访问方面效率较低。
插入和删除：
- 多数情况下，ArrayList更利于查找，LinkedList更利于增删。
- ArrayList 基于数组实现， get(int index) 可以直接通过数组下标获取，时间复杂度
  
  是 O(1) ； LinkedList 基于链表实现， get(int index) 需要遍历链表，时间复杂度是
  
  O(n) ；当然， get(E element) 这种查找，两种集合都需要遍历，时间复杂度都是
  
  O(n) 。
- ArrayList增删如果是数组末尾的位置，直接插入或者删除就可以了，但是如果插
  
  入中间的位置，就需要把插入位置后的元素都向前或者向后移动，甚至还有可能
  
  触发扩容；双向链表的插入和删除只需要改变前驱节点、后继节点和插入节点的
  
  指向就行了，不需要移动元素。
- 图片来源：《面渣逆袭手册》V1.1
内存占用：
- ArrayList：需要预先分配一定的内存空间，如果元素数量超过容量，需要进行扩容。
  基于数组的集合，数组的容量是在定义的时候确定的，如果数组满了，
  
  再插入，就会数组溢出。所以在插入时候，会先检查是否需要扩容，如果当前容量
  
  +1 超过数组长度，就会进行扩容。
- ArrayList的扩容是创建一个1.5倍的新数组，然后把原数组的值拷贝过去。
- LinkedList：不需要预先分配固定的内存空间。

遍历方式：

ArrayList：可以通过索引或迭代器进行遍历。
LinkedList：还可以通过指针依次访问元素。
示例代码如下：

import java.util.ArrayList;
import java.util.LinkedList;
import java.util.List;

public class CollectionExample {

    public static void main(String[] args) {

        // 使用 ArrayList
        List<String> arrayList = new ArrayList<>();
        arrayList.add("Apple");
        arrayList.add("Banana");
        arrayList.add("Orange");

        System.out.println("使用 ArrayList 遍历：");
        for (String item : arrayList) {
            System.out.println(item);
        }

        // 使用 LinkedList
        List<String> linkedList = new LinkedList<>();
        linkedList.add("Apple");
        linkedList.add("Banana");
        linkedList.add("Orange");

        System.out.println("\n 使用 LinkedList 遍历：");
        for (String item : linkedList) {
            System.out.println(item);
        }
    }
}

三、Map

在 Java 中，常见的 Map 实现有 HashMap 和 TreeMap 。

HashMap 基于哈希表实现，它的数据结构如下：

存储键值对。
通过哈希函数计算键的哈希值，以确定元素在哈希表中的存储位置。

TreeMap 基于红黑树实现，它的数据结构如下：

按照键的自然顺序进行排序。
提供有序的键值对访问。

HashMap的数据结构

JDK1.8 的数据结构是数组 + 链表 + 红黑树。

数据结构示意图如下：

图片来源：《面渣逆袭手册》V1.1

其中，桶数组是用来存储数据元素，链表是用来解决冲突， 红黑树 是为了提高查询

的效率。

数据元素通过映射关系，也就是散列函数，映射到桶数组对应索引的位置

如果发生冲突，从冲突的位置拉一个链表，插入冲突的元素

如果链表长度 > 8 & 数组大小 >= 64 ，链表转为红黑树

如果红黑树节点个数 < 6 ，转为链表

哈希表的基本原理是通过哈希函数将键映射到特定的存储位置，以实现快速的插入、查找和删除操作。

哈希函数用于计算键的哈希值，并根据哈希值确定元素在哈希表中的存储位置。哈希表通常包含以下组件：

数组：用于存储元素。
哈希函数：将键转换为数组的索引。
冲突处理机制：处理不同键可能映射到相同索引的冲突。

在插入元素时，通过哈希函数计算键的哈希值，确定存储位置。如果该位置为空，则直接插入元素；如果存在冲突，使用冲突处理机制解决。

在查找元素时，同样通过哈希函数计算哈希值，找到对应的位置进行查找。

哈希表的优点包括：

快速的插入、查找和删除操作。
不需要按照特定顺序存储元素。

如何理解红黑树

红黑树本质上是一种二叉查找树，为了保持平衡，它又在二叉查找树的基础上增加了一些规则：

颜色规则：每个节点要么是红色，要么是黑色。
特性规则：
根节点是黑色的。
如果一个节点是红色的，那么它的子节点必须是黑色的。
从每个叶子节点到根节点的所有路径上，黑色节点的数量相同。
在进行插入或删除操作时，红黑树会通过一系列的旋转和颜色调整来保持这些规则，以确保树的平衡性。

图片来源：《面渣逆袭手册》V1.1

旋转操作包括左旋和右旋，用于调整树的结构。

红黑树有两种方式保持平衡：旋转和染色。通过保持红黑树的平衡性，可以提高搜索、插入和删除操作的效率，避免出现最坏情况下的线性搜索。

有关HashMap的知识点非常多，这里不做详述，后面会单独写一篇有关HashMap的相关内容。

哈希表在以下场景中比较适用：

快速查找：当需要快速查找数据时，哈希表可以提供高效的查找性能。
存储和检索数据：适用于需要频繁地插入、删除和查找数据的场景。
缓存：可以用于缓存数据，以提高系统的性能。
统计频率：用于统计元素的出现频率。
数据去重：去除重复的数据。
关联数据：建立键值对的关联。
例如，在以下场景中可能会使用哈希表：
数据库索引：加速数据的查询。
缓存系统：提高数据的访问速度。
网页搜索引擎：快速检索和索引网页。
数据处理和分析：高效地处理大量数据。

四、set

HashSet 是 Java 中的一个集合类，它不允许存储重复的元素。HashSet 底层就是基于 HashMap 实现的。（ HashSet 的源码⾮常⾮常少，因为除了 clone() 、 writeObject() 、 readObject() 是 HashSet⾃⼰不得不实现之外，其他⽅法都是直接调⽤ HashMap 中的⽅法。

HashSet的add方法，直接调用HashMap的put方法，将添加的元素作为key，new一个 Object作为value，直接调用HashMap的put方法，它会根据返回值是否为空来判断是否插入元素成功。

以下是 HashSet 的一些特点：