用框架思维学Java：集合概览

集合这个词，耳熟能详，从小学一年级开始，每天早上做操时都会听到这两个字：
在这里插入图片描述
高中数学又学习到了新的集合：

那么Java中的集合是什么呢？

一，前言

1，什么是Java集合

数学集合是Java集合的数学基础，所以有一致之处：

都是由一组集在一起的对象构成
Java集合也可以应用数学集合的运算法则，如交集、并集、差集

但是，Java集合作为一个编程工具，更加突出了作为容器的作用：
在这里插入图片描述
就像一个果篮一样，Java容器具备存储、管理对象的功能，比如：

存储水果
向果篮中放入一个或者一批水果，动作是add、addAll、put、putAll
把果篮中一个或者一批腐败的水果丢掉，动作是delete、remove
从果篮中取出一个水果，动作是get
判断果篮中是否包含苹果，动作是contains
计算果篮中水果的个数，动作是size

Java集合是存储、管理对象的容器。

2，Java集合的作用

Java集合到底有什么作用呢？这个问题值得好好思考一下，只有这样，才能更好的使用Java集合。

以开发一个简单的订单管理系统为例，我们需要存储并管理一系列订单信息，包括订单号、客户姓名、商品列表、总价等。

让我们通过对比使用Java集合和不使用Java集合的情况，分析在实现该系统时可能遇到的困难。

使用Java集合的示例代码

import java.util.*;

class Product {
    String name;
    double price;

    Product(String name, double price) {
        this.name = name;
        this.price = price;
    }
}

class Order {
    String orderId;
    String customerName;
    ArrayList<Product> productList;
    double totalAmount;

    Order(String orderId, String customerName) {
        this.orderId = orderId;
        this.customerName = customerName;
        this.productList = new ArrayList<>();
    }

    void addProduct(Product product) {
        // 不需要考虑集合容器的大小，容器会自动扩容
        productList.add(product);
        totalAmount += product.price;
    }
}

public class OrderManagement {
    public static void main(String[] args) {
        Order order = new Order("ORD123", "Alice");
        order.addProduct(new Product("Book", 19.99));
        order.addProduct(new Product("Pen", 4.99));
        
        System.out.println("Total Amount: " + order.totalAmount);
    }
}

不使用Java集合实现

如果Java集合框架不可用，我们需要手动实现数据结构来存储订单中的商品列表。这将涉及创建一个产品数组，并手动管理数组的大小调整、添加和删除产品等操作。

class OrderWithoutCollection {
    String orderId;
    String customerName;
    Product[] productList; // 假设产品数组
    int productCount;
    double totalAmount;

    OrderWithoutCollection(String orderId, String customerName) {
        this.orderId = orderId;
        this.customerName = customerName;
        this.productList = new Product[10]; // 初始化固定大小的数组
        this.productCount = 0;
    }

    boolean addProduct(Product product) {
        // 需要考虑数组的大小
        if (productCount == productList.length) {
            // 数组已满，需要手动扩展，这里简化处理，实际应复制数组并创建更大的数组
            System.out.println("Product list is full, cannot add more products.");
            return false;
        }
        productList[productCount++] = product;
        totalAmount += product.price;
        return true;
    }
    
    // 其他方法省略...
}

public class OrderManagementWithoutCollection {
    public static void main(String[] args) {
        OrderWithoutCollection order = new OrderWithoutCollection("ORD123", "Alice");
        order.addProduct(new Product("Book", 19.99));
        order.addProduct(new Product("Pen", 4.99));
        
        System.out.println("Total Amount: " + order.totalAmount);
    }
}

两种方式的差异分析

复杂度增加：不使用集合框架，我们必须手动管理数组的大小，如上例中的OrderWithoutCollection类，当商品列表超出初始分配的空间时，需要手动扩展数组，这增加了代码的复杂度
效率低下：手动数组管理缺乏动态调整大小的能力，可能导致空间浪费或频繁的数据复制（如果每次添加商品都动态扩展数组）。此外，查找和删除操作可能需要遍历整个数组，效率低下
类型安全风险：没有泛型，我们可能会在操作数组时忘记检查类型，导致运行时错误
功能缺失：没有现成的排序、过滤等操作，需要自己编写逻辑，如若想要按商品价格排序，需要实现复杂的排序算法
代码可读性和维护性降低：代码中充斥着底层数据结构管理逻辑，而非业务逻辑，降低了代码的可读性和未来的可维护性

综上所述，没有Java集合框架的支持，开发任务将变得繁琐且低效，不仅影响开发进度，也可能影响最终产品的稳定性和性能。

二，集合概览

集合是Java中极其高频使用的工具类，从接口到实现，形成了一个庞杂的体系，要掌握这个庞杂的体系，要避免盲人摸象的学习方法，先看一看大象完整的照片，知大象有四条腿、一个长鼻子、两只眼睛、两根象牙和一个庞大的身躯，然后再靠近观察研究细节！

那么集合这只大象的样子是什么呢？

1，最简化的集合体系

在这里插入图片描述

集合分为两种：

一种是单列集合，称之为Collection，如下图，集合每个位置的元素是一个单值

在这里插入图片描述

一种是双列集合，称之为Map，如下图，集合每个位置上的元素是一个键值对，注意一对相关联的key、value合称一个元素

2，完整的集合体系

在这里插入图片描述

Java集合框架分为两大类：Collection 和 Map。

其中Collection又细分为List、Set和Queue：

List是有序的集合，即元素在List中的顺序和插入集合的先后顺序一致
List中的元素可以重复，比如把数字1先后多次插入List集合中，插入多少次就保存多少个
Set集合中的元素是无序的
Set集合不可以重复，比如把数字1先后多次插入Set集合中，后插入的会覆盖先插入的，实际效果相当于仅插入一次
Queue主要用于实现队列功能，遵循先进先出（FIFO）原则

继承体系简图

Collection
├── List
│   ├── ArrayList
│   ├── LinkedList
│   └── Vector
├── Set
│   ├── HashSet
│   ├── TreeSet
│   └── LinkedHashSet
└── Queue
    ├── PriorityQueue
    └── Deque
        ├── ArrayDeque
        └── LinkedList
Map
├── HashMap
├── TreeMap
└── LinkedHashMap

3，集合的主要操作

增删查改：add(E element)、remove(Object o)、contains(Object o)、get(int index)/put(K key, V value)
遍历：增强型for循环、迭代器(Iterator)、Lambda表达式等
容量管理：如ArrayList的ensureCapacity(int minCapacity)、trimToSize()

4，创建集合实现类示例

① LinkedList

import java.util.LinkedList;

public class LinkedListDemo {
    public static void main(String[] args) {
        LinkedList<String> linkedList = new LinkedList<>();
        linkedList.add("Apple");
        linkedList.add("Banana");
        linkedList.addFirst("Cherry");
        System.out.println(linkedList); // 输出: [Cherry, Apple, Banana]
        linkedList.removeFirst();
        System.out.println(linkedList); // 输出: [Apple, Banana]
    }
}

LinkedList基于双向链表实现，每个节点包含前驱和后继节点的引用，这使得插入和删除操作非常高效（O(1)），特别是在列表的开始和结束。然而，由于需要遍历链表来访问元素，随机访问操作（如通过索引访问）效率较低（O(n)）。与ArrayList相比，LinkedList更适合频繁的插入和删除操作，但在随机访问方面不如ArrayList高效。

② ArrayList

import java.util.ArrayList;

public class ArrayListDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<String> arrayList = new ArrayList<>();
        arrayList.add("Apple");
        arrayList.add("Banana");
        arrayList.add(1, "Cherry");
        System.out.println(arrayList); // 输出: [Apple, Cherry, Banana]
        arrayList.set(0, "Orange");
        System.out.println(arrayList); // 输出: [Orange, Cherry, Banana]
    }
}

ArrayList基于动态数组实现，内部维护了一个可自动增长的数组来存储元素。这意味着它提供了快速的随机访问（通过索引，O(1)），但插入和删除操作（特别是位于数组中间的操作）可能较慢（O(n)），因为可能需要移动后续元素。与LinkedList相比，它在索引访问和遍历顺序元素方面更高效，但在频繁插入和删除的场景下不如LinkedList灵活。

③ Vector

import java.util.Vector;

public class VectorDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Vector<String> vector = new Vector<>(3);
        vector.add("Apple");
        vector.add("Banana");
        System.out.println(vector); // 输出: [Apple, Banana]
    }
}

Vector也是基于动态数组实现，与ArrayList相似，但其方法默认是线程安全的，通过同步机制确保了多线程环境下的安全访问。这增加了额外的性能开销，使得在单线程环境下，ArrayList通常比Vector更优。Vector在容量自动增长时，会增加当前容量的两倍，而ArrayList通常是1.5倍。一般情况下，不用Vector，因为其线程安全导致效率低。

④ HashSet

import java.util.HashSet;

public class HashSetDemo {
    public static void main(String[] args) {
        HashSet<String> set = new HashSet<>();
        set.add("Apple");
        set.add("Banana");
        set.add("Apple"); // 重复元素，不会添加
        System.out.println(set); // 输出可能是 [Apple, Banana]，顺序不确定
    }
}

: HashSet基于哈希表实现，使用hashCode()和equals()方法来确定元素的唯一性。它不保证元素的顺序，插入和查询操作平均时间复杂度为O(1)，但最坏情况下（哈希冲突严重时）可能退化为O(n)。与TreeSet相比，它牺牲了排序特性，换取了更高的插入和查询性能。

⑤ TreeSet

import java.util.TreeSet;

public class TreeSetDemo {
    public static void main(String[] args) {
        TreeSet<String> set = new TreeSet<>();
        set.add("Apple");
        set.add("Banana");
        set.add("Cherry");
        System.out.println(set); // 输出: [Apple, Banana, Cherry]，自动排序
    }
}

TreeSet基于红黑树实现，因此它能够对元素进行自然排序（根据元素的Comparable实现）或定制排序（通过Comparator）。插入、删除和查找操作的平均时间复杂度为O(log n)，并保证了元素的有序性。与HashSet相比，它提供了排序功能，但牺牲了在无序集合中可能获得的更快的平均性能。

⑥ LinkedHashSet

import java.util.LinkedHashSet;

public class LinkedHashSetDemo {
    public static void main(String[] args) {
        LinkedHashSet<String> set = new LinkedHashSet<>();
        set.add("Apple");
        set.add("Banana");
        set.add("Cherry");
        System.out.println(set); // 输出: [Apple, Banana, Cherry]，保持插入顺序
    }
}

LinkedHashSet是HashSet的一个子类，它同时维护了一个双向链表来保持元素的插入顺序。因此，它既有HashSet的快速查找特性（基于哈希表），又保持了元素的插入顺序，类似于LinkedHashMap。相比于普通的HashSet，它提供了更好的迭代性能（特别是当频繁迭代且需要保持顺序时），但消耗了额外的内存。

⑦ PriorityQueue

import java.util.PriorityQueue;

public class PriorityQueueDemo {
    public static void main(String[] args) {
        PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<>();
        queue.add(5);
        queue.add(1);
        queue.add(3);
        System.out.println(queue.poll()); // 输出并移除最小元素: 1
    }
}

PriorityQueue是一个无界优先队列，它使用了堆数据结构（通常是二叉堆）来实现。这使得它能够高效地（O(log n)）插入元素并返回队列中最小（或最大，取决于优先级比较器）的元素。与普通队列（FIFO）不同，PriorityQueue保证了队首元素始终是最优先的。它的实现不适合于随机访问，主要用于需要排序的插入和删除操作。

⑧ Deque

import java.util.ArrayDeque;

public class ArrayDequeDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayDeque<String> deque = new ArrayDeque<>();
        deque.addFirst("Apple");
        deque.addLast("Banana");
        System.out.println(deque.pop()); // 输出并移除头部元素: Apple
    }
}

ArrayDeque（双端队列）基于可调整大小的环形数组实现，提供了两端高效的插入和删除操作（O(1)），同时支持作为栈（push/pop）和队列（addFirst/removeFirst）使用。它在大多数场景下比传统的LinkedList表现更优，特别是在频繁的两端操作时，因为它减少了内存分配的开销并优化了缓存局部性。

⑨ HashMap

import java.util.HashMap;

public class HashMapDemo {
    public static void main(String[] args) {
        HashMap<String, Integer> map = new HashMap<>();
        map.put("Apple", 1);
        map.put("Banana", 2);
        System.out.println(map.get("Apple")); // 输出: 1
    }
}

HashMap基于哈希表实现，通过散列函数将键映射到数组的某个位置，以实现快速访问。它允许null键和null值，但不保证元素的顺序。插入、删除和查找操作的平均时间复杂度为O(1)，在哈希冲突较少的情况下。与TreeMap相比，它放弃了排序功能，以换取更高的性能。

⑩ TreeMap

import java.util.TreeMap;

public class TreeMapDemo {
    public static void main(String[] args) {
        TreeMap<String, Integer> map = new TreeMap<>();
        map.put("Apple", 1);
        map.put("Banana", 2);
        map.put("Cherry", 3);
        System.out.println(map.keySet()); // 输出: [Apple, Banana, Cherry]，自动排序
    }
}

TreeMap基于红黑树实现，保证了键的自然排序或定制排序。它提供了对键的有序访问，并且所有键值对都按照键的排序顺序排列。插入、删除和查找操作的平均时间复杂度为O(log n)。与HashMap相比，它牺牲了快速的无序访问，但提供了排序和区间访问的能力。

⑪ LinkedHashMap

import java.util.LinkedHashMap;

public class LinkedHashMapDemo {
    public static void main(String[] args) {
        LinkedHashMap<String, Integer> map = new LinkedHashMap<>();
        map.put("Apple", 1);
        map.put("Banana", 2);
        map.put("Cherry", 3);
        System.out.println(map.entrySet()); // 输出: 保持插入顺序
    }
}

LinkedHashMap继承自HashMap，并在其基础上增加了双向链表来维护元素的插入顺序或访问顺序（取决于构造参数）。这使得它既能提供快速的访问性能，又能维持元素的插入或访问顺序。与普通HashMap相比，它更适合那些需要按插入或访问顺序遍历键值对的场景，但会消耗更多内存。与TreeMap相比，它不提供键的自然排序。