本篇讲解java集合

集合

集合框架的概述

1. 集合、数组都是对多个数据进行存储操作的结构，简称Java容器。

   说明：此时的存储，主要指的是内存层面的存储，不涉及到持久化的存储（.txt,.jpg,.avi，数据库中）

2. 数组的缺陷

   1. 数组在存储多个数据方面的特点

      • 一旦初始化以后，其长度就确定了。
      • 数组一旦定义好，其元素的类型也就确定了。我们也就只能操作指定类型的数据了。

   2. 数组在存储多个数据方面的缺点

      • 一旦初始化以后，其长度就不可修改。

      • 数组中提供的方法非常有限，对于添加、删除、插入数据等操作，非常不便，同时效率不高。

      • 获取数组中实际元素的个数的需求，数组没有现成的属性或方法可用

      • 数组存储数据的特点：有序、可重复。对于无序、不可重复的需求，不能满足。

Java 集合可分为 Collection 和 Map 两种体系

Collection

|----Collection接口：单列集合，用来存储一个一个的对象
         |----List接口：存储有序的、可重复的数据。  -->“动态”数组
             |----ArrayList、LinkedList、Vector

         |----Set接口：存储无序的、不可重复的数据   -->高中讲的“集合”
             |----HashSet、LinkedHashSet、TreeSet

|----Map接口：双列集合，用来存储一对(key - value)一对的数据   -->高中函数：y = f(x)
         |----HashMap、LinkedHashMap、TreeMap、Hashtable、Properties

Collection接口方法测试

1. 添加
   • add(Object obj)
   • addAll(Collection coll)
2. 获取有效元素的个数
   • int size()
3. 清空集合
   • void clear()
4. 是否是空集合
   • boolean isEmpty()
5. 是否包含某个元素
   • boolean contains(Object obj)：是通过元素的equals方法来判断是否是同一个对象
   • boolean containsAll(Collection c)：也是调用元素的equals方法来比较的。拿两个集合的元素挨个比较。
6. 删除
   • boolean remove(Object obj) ：通过元素的equals方法判断是否是要删除的那个元素。只会删除找到的第一个元素
   • boolean removeAll(Collection coll)：取当前集合的差集
7. 取两个集合的交集
   • boolean retainAll(Collection c)：把交集的结果存在当前集合中，不影响c
8. 集合是否相等
   • boolean equals(Object obj)
9. 转成对象数组
   • Object[] toArray()
10. 获取集合对象的哈希值
    • hashCode()
11. 遍历
    • iterator()：返回迭代器对象，用于集合遍历

方法示例，这里我们使用ArrayList来作演示

Collection coll = new ArrayList();

//add(Object e):将元素e添加到集合coll中
coll.add("AA");
coll.add("BB");
coll.add(123);//自动装箱
coll.add(new Person("琪亚娜", 20));//Person是自定义的一个类

//size():获取添加的元素的个数
System.out.println(coll.size());//4

//addAll(Collection coll1):将coll1集合中的元素添加到当前的集合中
Collection coll1 = new ArrayList();
coll1.add(456);
coll1.add("CC");
coll.addAll(coll1);

System.out.println(coll.size());//6
System.out.println(coll);//[AA, BB, 123, Wed Feb 08 16:40:55 CST 2023, 456, CC]

//clear():清空集合元素
coll.clear();

//isEmpty():判断当前集合是否为空
System.out.println(coll.isEmpty());//true

//contains(Object obj):判断obj是否存在于集合中
System.out.println(coll.contains(new Person("hengxing",18)));//true,因为我们重写了Person的equals方法

//containsAll(Collection coll1):判断形参coll1中的所有元素是否都存在于当前集合中。
Collection coll2 = Arrays.asList("hello", 123, new Person("琪亚娜", 20));
System.out.println(coll.containsAll(coll2));//true
System.out.println(coll);//[123, hello, 17:24, 456, Person{name='琪亚娜', age=20}]

//remove(Object obj):从当前集合中移除obj元素。
coll.remove("hello");
System.out.println(coll);//[123, 17:24, 456, Person{name='琪亚娜', age=20}]

//removeAll(Collection coll1):差集：从当前集合中移除coll2中所有的元素。
Collection coll2 = Arrays.asList("hello", 123, new Person("琪亚娜", 20));
coll.removeAll(coll2);
System.out.println(coll);//[17:24, 456]

//retainAll(Collection coll1):交集：获取当前集合和coll1集合的交集，并返回给当前集合
Collection coll1 = new ArrayList();
coll1.add(123);
coll1.add("hello");
coll.retainAll(coll1);
System.out.println(coll);

//equals(Object obj):要想返回true，需要当前集合和形参集合的元素都相同。
//此时，coll1是一个和coll集合完全相同的集合
System.out.println(coll.equals(coll1));//true

//hashCode():返回当前对象的哈希值
System.out.println(coll.hashCode());//-816743945

//集合 --->数组：toArray()
Object[] array = coll.toArray();
System.out.println(Arrays.toString(array));//[123, hello, 17:24, 456, Person{name='琪亚娜', age=20}]

//拓展：数组 ---> 集合:调用Arrays类的静态方法asList()
List strings = Arrays.asList(new String[]{"hello","hi"});
System.out.println(strings);//[hello, hi]
//注意：int型数组会被认为是一个元素
List ints = Arrays.asList(new int[]{1,2,3});
System.out.println(ints);//[[I@6477463f]，这里[I@6477463f是其中一个元素，左右有中括号包围，说明使用了toString()
//为了看的更清楚，写了下面这个例子，你可以看出，第一个元素[I@3d71d552是一个一维数组和地址
System.out.println(Arrays.asList(new int[]{1, 2, 3}, 12));//[[I@3d71d552, 12]
//解决办法：
//1.使用包装类
List integers = Arrays.asList(new Integer[]{1, 2, 3});
System.out.println(integers);//[1, 2, 3]
//2.直接放入数组元素
List ints2 = Arrays.asList(1, 2, 3, 4);
System.out.println(ints2);//[1, 2, 3, 4]

迭代器接口

Iterator对象称为迭代器(设计模式的一种)，主要用于遍历 Collection 集合中的元素。

GOF给迭代器模式的定义为：提供一种方法访问一个容器(container)对象中各个元素，而又不需暴露该对象的内部细节。迭代器模式，就是为容器而生。类似于“公交车上的售票员”、“火车上的乘务员”、“空姐”。

Collection接口继承了java.lang.Iterable接口，该接口有一个iterator()方法，那么所
有实现了Collection接口的集合类都有一个iterator()方法，用以返回一个实现了Iterator接口的对象。

Iterator 仅用于遍历集合，Iterator 本身并不提供承装对象的能力。如果需要创建Iterator 对象，则必须有一个被迭代的集合。

⭐集合对象每次调用iterator()方法都得到一个全新的迭代器对象，默认游标都在集合的第一个元素之前。

常用方法

在调用it.next()方法之前必须要调用it.hasNext()进行检测。

若不调用，且下一条记录无效，直接调用it.next()会抛出NoSuchElementException异常。

Collection coll = new ArrayList();
coll.add(123);
coll.add("hello");
coll.add(LocalTime.of(17,24));
coll.add(456);
coll.add(new Person("琪亚娜", 20));

Iterator iterator = coll.iterator();
while (iterator.hasNext()){//hasNext(): 判断是否还有下一个元素
    System.out.println(iterator.next());//next(): 1.指针下移 2.将下移以后集合位置上的元素返回
}
/*
123
hello
17:24
456
Person{name='琪亚娜', age=20}
*/

iterator = coll.iterator();
while (iterator.hasNext()){
    if ("hello".equals(iterator.next())){
        iterator.remove();
    }
}//会删除hello这一项
/*
123
17:24
456
Person{name='琪亚娜', age=20}
*/

Iterator可以删除集合的元素，但是是遍历过程中通过迭代器对象的remove方法，不是集合对象的remove方法。

如果还未调用next()或在上一次调用 next 方法之后已经调用了 remove 方法，再调用remove都会报IllegalStateException。

常见错误

//错误方式一：
Iterator iterator = coll.iterator();
while((iterator.next()) != null){
    System.out.println(iterator.next());
}

//错误方式二：
//集合对象每次调用iterator()方法都得到一个全新的迭代器对象，默认游标都在集合的第一个元素之前。
while (coll.iterator().hasNext()){
    System.out.println(coll.iterator().next());
}

增强for循环foreach

Java 5.0 提供了foreach循环迭代访问Collection和数组。

• 遍历操作不需获取Collection或数组的长度，无需使用索引访问元素。
• 遍历集合的底层调用Iterator完成操作。
• foreach还可以用来遍历数组。

for(集合元素的类型 局部变量 : 集合对象)或者for(数组元素的类型 局部变量 : 数组对象)

Collection coll = new ArrayList();
coll.add(123);
coll.add("hello");
coll.add(LocalTime.of(17,24));
coll.add(456);
coll.add(new Person("琪亚娜", 20));

for (Object obj : coll) {
    System.out.println(obj);
}

int[] ints = {1, 2, 3, 4, 5};
for (int i : ints) {
    System.out.println(i);
}

面试题

int[] ints = {1, 2, 3, 4, 5};
for (int i : ints) {
    i = 1;
}//并不会修改原先数组中的数据，因为这个i是你新声明的。

List子接口

鉴于Java中数组用来存储数据的局限性，我们通常使用List替代数组

List集合类中元素有序、且可重复，集合中的每个元素都有其对应的顺序索引。

List容器中的元素都对应一个整数型的序号记载其在容器中的位置，可以根据序号存取容器中的元素。

JDK API中List接口的实现类常用的有：ArrayList、LinkedList和Vector。

• ArrayList：作为List接口的主要实现类；线程不安全的，效率高；底层使用Object[] elementData存储

•          `LinkedList`：对于频繁的插入、删除操作，使用此类效率比`ArrayList`高；底层使用双向链表存储
  

•          `Vector`：作为List接口的古老实现类；线程安全的，效率低；底层使用`Object[] elementData`存储
  

面试题：ArrayList、LinkedList、Vector三者的异同？

同：三个类都是实现了List接口，存储数据的特点相同：存储有序的、可重复的数据

不同：见上

ArrayList源码分析

• JDK 7.0中

  ArrayList list = new ArrayList();//底层创建了长度是10的Object[]数组elementData

  list.add(123);//elementData[0] = new Integer(123);

  …

  list.add(11);//如果此次的添加导致底层elementData数组容量不够，则扩容。

  默认情况下，扩容为原来的容量的1.5倍，同时需要将原有数组中的数据复制到新的数组中。

  结论：建议开发中使用带参的构造器：ArrayList list = new ArrayList(int capacity)，避免扩容影响效率

• JDK 8.0中ArrayList的变化

  ArrayList list = new ArrayList();//底层Object[] elementData初始化为{}.并没有创建长度为10的数组

  list.add(123);//第一次调用add()时，底层才创建了长度10的数组，并将数据123添加到elementData[0]

  …

  后续的添加和扩容操作与JDK 7.0无异。

• 小结

  JDK 7.0中的ArrayList的对象的创建类似于单例的饿汉式，而JDK 8.0中的ArrayList的对象的创建类似于单例的懒汉式，延迟了数组的创建，节省内存。

LinkedList源码分析

LinkedList list = new LinkedList();内部声明了Node类型的first和last属性，默认值为null
list.add(123);将123封装到Node中，创建了Node对象。

其中，Node定义为：体现了LinkedList的双向链表的特性

private static class Node<E> {
    E item;
    Node<E> next;
    Node<E> prev;

    Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
        this.item = element;
        this.next = next;
        this.prev = prev;
    }
}

Vector源码分析

JDK 7.0和JDK 8.0中通过Vector()构造器创建对象时，底层都创建了长度为10的数组。

List常用方法

void add(int index, Object ele):在index位置插入ele元素
boolean addAll(int index, Collection eles):从index位置开始将eles中的所有元素添加进来
Object get(int index):获取指定index位置的元素
int indexOf(Object obj):返回obj在集合中首次出现的位置
int lastIndexOf(Object obj):返回obj在当前集合中末次出现的位置
Object remove(int index):移除指定index位置的元素，并返回此元素
Object set(int index, Object ele):设置指定index位置的元素为ele（覆盖之前的记录）
List subList(int fromIndex, int toIndex):返回从fromIndex到toIndex位置的子集合

总结：

• 增：add(Object obj)
• 删：remove(int index) / remove(Object obj)
• 改：set(int index, Object ele)
• 查：get(int index)
• 插：add(int index, Object ele)
• 长度：size()
• 遍历：
  • Iterator迭代器方式
  • 增强for循环
  • 普通的循环

面试题

@Test
public void testListRemove() {
    List list = new ArrayList();
    list.add(1);
    list.add(2);
    list.add(3);
    updateList(list);
    System.out.println(list);//会输出什么？
}

private void updateList(List list) {
    list.remove(2);
}

答案是[1,2]

这道题的重点是，区分List中remove(int index)和remove(Object obj)

我们这里传入的是int型的数据，根据重载原则，会执行remove(int index)，而不是自动装箱后使用remove(Object obj)。如果我们想删掉2这个数据（使用对象删除）那可以手动装箱：

list.remove(new Integer(2));

Set子接口

|----Collection接口：单列集合，用来存储一个一个的对象
     |----Set接口：存储无序的、不可重复的数据   -->高中讲的“集合”
          |----HashSet：作为Set接口的主要实现类；线程不安全的；可以存储null值
          		|----LinkedHashSet：作为HashSet的子类；遍历其内部数据时，可以按照添加的顺序遍历
                                     对于频繁的遍历操作，LinkedHashSet效率高于HashSet.
          |----TreeSet：可以按照添加对象的指定属性，进行排序。

存储无序的、不可重复的数据

• Set接口是Collection的子接口，set接口没有提供额外的方法
• Set 集合不允许包含相同的元素，如果试把两个相同的元素加入同一个Set 集合中，则添加操作失败。
• Set 判断两个对象是否相同不是使用==运算符，而是根据equals()方法

Set的特性及HashSet

以HashSet为例说明：

1. 无序性：不等于随机性。存储的数据在底层数组中并非按照数组索引的顺序添加，而是根据数据的哈希值决定的。

2. 不可重复性：保证添加相同的元素按照equals()判断时，不能返回true。即：相同的元素只能添加一个。

二、添加元素的过程

以HashSet为例：

我们向HashSet中添加元素a,首先调用元素a所在类的hashCode()方法，计算元素a的哈希值，此哈希值接着通过某种算法计算出在HashSet底层数组中的存放位置（即为：索引位置），判断数组此位置上是否已经有元素：

• 如果此位置上没有其他元素，则元素a添加成功。 —>情况1
• 如果此位置上有其他元素b(或以链表形式存在的多个元素），则比较元素a与元素b的hash值：
  • 如果hash值不相同，则元素a添加成功。—>情况2
  • 如果hash值相同，进而需要调用元素a所在类的equals()方法：
    equals()返回true，元素a添加失败
    equals()返回false，则元素a添加成功。—>情况3

对于添加成功的情况2和情况3而言：元素a 与已经存在指定索引位置上数据以链表的方式存储。

• JDK 7.0 :元素a放到数组中，指向原来的元素。
• JDK 8.0:原来的元素在数组中，指向元素a
  总结：七上八下

HashSet底层：数组+链表的结构。

Set对数据的要求

• 向Set(主要指：HashSet、LinkedHashSet)中添加的数据，其所在的类一定要重写hashCode()和equals()
• 重写的hashCode()和equals()尽可能保持一致性：相等的对象必须具有相等的散列码

​ 重写两个方法的小技巧：对象中用作 equals() 方法比较的 Field，都应该用来计算 hashCode 值。

LinkedHashSet介绍

LinkedHashSet作为HashSet的子类，在添加数据的同时，每个数据还维护了两个引用，记录此数据前一个数据和后一个数据。

优点是：对于频繁的遍历操作，LinkedHashSet效率高于HashSet

TreeSet

TreeSet是SortedSet接口的实现类，TreeSet可以确保集合元素处于排序状态。

TreeSet底层使用红黑树结构存储数据

参考：红黑树介绍

TreeSet两种排序方法：自然排序和定制排序。默认情况下，TreeSet采用自然排序。

TreeSet会调用集合元素的compareTo(Object obj)方法来比较元素之间的大小关系，然后将集合元素按升序(默认情况)排列

如果试图把一个对象添加到TreeSet时，则该对象的类必须实现Comparable接口。

Comparable 的典型实现：

• BigDecimal、BigInteger 以及所有的数值型对应的包装类：按它们对应的数值大小进行比较
• Character：按字符的unicode值来进行比较
• Boolean：true对应的包装类实例大于false对应的包装类实例
• String：按字符串中字符的unicode值进行比较
• Date、Time：后边的时间、日期比前面的时间、日期大

自然排序实现

自然排序中，比较两个对象是否相同的标准为：compareTo()返回0.不再是equals().

//在Person类中去实现Comparable接口
@Override
public int compareTo(Object o) {
    if (!(o instanceof Person)){
        throw new RuntimeException("类型不匹配。");
    }
    Person person = (Person) o;
    int compare = this.name.compareTo(person.name);
    if (compare == 0){
        return this.age - person.age;
    }
    return compare;
}

TreeSet treeSet = new TreeSet();
treeSet.add(new Person("琪亚娜",12));
treeSet.add(new Person("芽衣",13));
treeSet.add(new Person("布洛尼亚",11));
treeSet.add(new Person("李素裳",24));
treeSet.add(new Person("李素裳",25));
Iterator iterator = treeSet.iterator();
while (iterator.hasNext()){
    System.out.println(iterator.next());
}
/*
Person{name='布洛尼亚', age=11}
Person{name='李素裳', age=24}
Person{name='李素裳', age=25}
Person{name='琪亚娜', age=12}
Person{name='芽衣', age=13}
*/

定制排序实现

//先按年龄升序排，相同的不要
Comparator comparator  = new Comparator() {
    @Override
    public int compare(Object o1, Object o2) {
        if (!(o1 instanceof Person && o2 instanceof Person)){
            throw new RuntimeException("输入的类型不匹配");
        }
        Person p1 = (Person) o1;
        Person p2 = (Person) o2;
        return p1.getAge() - p2.getAge();
    }
};
TreeSet treeSet = new TreeSet(comparator);//调用有参构造器，传入定制排序对象
treeSet.add(new Person("琪亚娜",12));
treeSet.add(new Person("芽衣",13));
treeSet.add(new Person("布洛尼亚",11));
treeSet.add(new Person("李素裳",24));
treeSet.add(new Person("李素裳1",24));//年龄相同，不可存入
Iterator iterator = treeSet.iterator();
while (iterator.hasNext()){
    System.out.println(iterator.next());
}
/*Person{name='布洛尼亚', age=11}
Person{name='琪亚娜', age=12}
Person{name='芽衣', age=13}
Person{name='李素裳', age=24}*/

一些问题

1. 集合Collection中存储的如果是自定义类的对象，需要自定义类重写哪个方法？为什么？

   对于List：重写equals()，因为list通过equals()判断元素是否重复

   对于Set：重写equals()和hashCode()，因为Set通过hashCode()确定存储位置，再通过equals()确定是否重复

   对于TreeSet：重写compareTo()或compare()，自然排序使用compareTo()，定制排序使用compare()

2. ArrayList,LinkedList,Vector三者的相同点与不同点

   相同点：三者都是无序，不可重复的数据

   不同点：Vector是线程安全的，效率低，

   ArrayList线程不安全，效率高，Vector与ArrayList底层都是通过数组实现的

   LinkedList线程不安全，是链表实现，插入删除效率高于ArrayList，但随机存取的效率反而低于ArrayList，需要根据场景选择。

练习题

//练习：在List内去除重复数字值，要求尽量简单
public static List duplicateList(List list) {
    HashSet set = new HashSet();
    set.addAll(list);
    return new ArrayList(set);
}
@Test
public void test2(){
    List list = new ArrayList();
    list.add(new Integer(1));
    list.add(new Integer(2));
    list.add(new Integer(2));
    list.add(new Integer(4));
    list.add(new Integer(4));
    List list2 = duplicateList(list);
    for (Object integer : list2) {
        System.out.println(integer);
    }
}

我们通常利用Set不可重复的特性过滤重复数据。

第二题，考察Set的特性和增加删除的细节

@Test
public void test3(){
    HashSet set = new HashSet();
    Person p1 = new Person(1001,"AA");
    Person p2 = new Person(1002,"BB");

    //第一部分
    set.add(p1);
    set.add(p2);
    System.out.println(set);

    //第二部分
    p1.name = "CC";
    set.remove(p1);
    System.out.println(set);
    //第三部分
    set.add(new Person(1001,"CC"));
    System.out.println(set);
    //第四部分
    set.add(new Person(1001,"AA"));
    System.out.println(set);

}

输出结果

[Person{id=1002, name='BB'}, Person{id=1001, name='AA'}]
[Person{id=1002, name='BB'}, Person{id=1001, name='CC'}]
[Person{id=1002, name='BB'}, Person{id=1001, name='CC'}, Person{id=1001, name='CC'}]
[Person{id=1002, name='BB'}, Person{id=1001, name='CC'}, Person{id=1001, name='CC'}, Person{id=1001, name='AA'}]

第一部分，通过属性算出hash地址，注意存储的是地址值

第二部分，修改p1的属性，修改后再执行删除，删除时是通过hash寻址的，虽然找到的地址并没有实际对象，但是还是进行删除，此时并没删除真正的p1对象。

所以输出[Person{id=1002, name='BB'}, Person{id=1001, name='CC'}]

第三部分，通过hash值算出地址，由于hash值不重复，Set认为这个对象和p1并不重复，成功存入

所以输出[Person{id=1002, name='BB'}, Person{id=1001, name='CC'}, Person{id=1001, name='CC'}]

第四部分，通过hash值算出地址，发现已经有元素，执行equals()算法发现元素属性不重复，成功存入

所以输出[Person{id=1002, name='BB'}, Person{id=1001, name='CC'}, Person{id=1001, name='CC'}, Person{id=1001, name='AA'}]