Lison <dreamlison@163.com>, v1.0.0, 2023.04.23

JAVA-编程基础-10-集合

List、Set、Map、队列全面解析

Java 集合框架可以分为两条大的支线：”

• Collection，主要由 List、Set、Queue 组成，List 代表有序、可重复的集合，典型代表就是封装了动态数组的 ArrayList 和封装了链表的 LinkedList；Set 代表无序、不可重复的集合，典型代表就是 HashSet 和 TreeSet；Queue 代表队列，典型代表就是双端队列 ArrayDeque，以及优先级队列 PriorityQueue。
• Map，代表键值对的集合，典型代表就是 HashMap。

List

List 的特点是存取有序，可以存放重复的元素，可以用下标对元素进行操作。

ArrayList

// 创建一个集合
ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();
// 添加元素
list.add("Li");
list.add("Cun");
list.add("Lison");

// 遍历集合 for 循环
for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
    String s = list.get(i);
    System.out.println(s);
}
// 遍历集合 for each
for (String s : list) {
    System.out.println(s);
}

// 删除元素
list.remove(1);
// 遍历集合
for (String s : list) {
    System.out.println(s);
}

// 修改元素
list.set(1, "Lison520");
// 遍历集合
for (String s : list) {
    System.out.println(s);
}

简单介绍一下 ArrayList 的特征

• ArrayList 是由数组实现的，支持随机存取，也就是可以通过下标直接存取元素；
• 从尾部插入和删除元素会比较快捷，从中间插入和删除元素会比较低效，因为涉及到数组元素的复制和移动；
• 如果内部数组的容量不足时会自动扩容，因此当元素非常庞大的时候，效率会比较低。

创建ArrayList

ArrayList<String> alist = new ArrayList<String>();

可以通过上面的语句来创建一个字符串类型的 ArrayList（通过尖括号来限定 ArrayList 中元素的类型，如果尝试添加其他类型的元素，将会产生编译错误），更简化的写法如下：

List<String> alist = new ArrayList<>();

由于 ArrayList 实现了 List 接口，所以 alist 变量的类型可以是 List 类型；new 关键字声明后的尖括号中可以不再指定元素的类型，因为编译器可以通过前面尖括号中的类型进行智能推断

此时会调用无参构造方法（见下面的代码）创建一个空的数组，常量DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA的值为 {}

public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

如果非常确定 ArrayList 中元素的个数，在创建的时候还可以指定初始大小。

List<String> alist = new ArrayList<>(20);

这样做的好处是，可以有效地避免在添加新的元素时进行不必要的扩容。

向ArrayList中添加元素

可以通过 add() 方法向 ArrayList 中添加一个元素：

alist.add("Lison");

堆栈过程图示：
add(element)
└── if (size == elementData.length) // 判断是否需要扩容
    ├── grow(minCapacity) // 扩容
    │   └── newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1) // 计算新的数组容量
    │   └── Arrays.copyOf(elementData, newCapacity) // 创建新的数组
    ├── elementData[size++] = element; // 添加新元素
    └── return true; // 添加成功

先是 add() 方法的源码

/** jdk1.8
 * 将指定元素添加到 ArrayList 的末尾
 * @param e 要添加的元素
 * @return 添加成功返回 true
 */
public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // 确保 ArrayList 能够容纳新的元素
    elementData[size++] = e; // 在 ArrayList 的末尾添加指定元素
    return true;
}

参数 e 为要添加的元素，此时的值为“Lison520”，size 为 ArrayList 的长度，此时为 0。

/**
 * 确保 ArrayList 能够容纳指定容量的元素
 * @param minCapacity 指定容量的最小值
 */
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) { // 如果 elementData 还是默认的空数组
        minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity); // 使用 DEFAULT_CAPACITY 和指定容量的最小值中的较大值
    }

    ensureExplicitCapacity(minCapacity); // 确保容量能够容纳指定容量的元素
}

此时：

• 参数 minCapacity 为 1（size+1 传过来的）
• elementData 为存放 ArrayList 元素的底层数组，前面声明 ArrayList 的时候讲过了，此时为空 {}
• DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 前面也讲过了，为 {}

所以，if 条件此时为 true，if 语句minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity)要执行。

DEFAULT_CAPACITY 为 10（见下面的代码），所以执行完这行代码后，minCapacity 为 10，Math.max() 方法的作用是取两个当中最大的那个。

private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

执行 ensureExplicitCapacity() 方法，来看一下源码：

/**
 * 检查并确保集合容量足够，如果需要则增加集合容量。
 *
 * @param minCapacity 所需最小容量
 */
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    // 检查是否超出了数组范围，确保不会溢出
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        // 如果需要增加容量，则调用 grow 方法
        grow(minCapacity);
}

此时：

• 参数 minCapacity 为 10
• elementData.length 为 0（数组为空）

所以 10-0>0，if 条件为 true，进入 if 语句执行 grow() 方法，来看源码：

/**
 * 扩容 ArrayList 的方法，确保能够容纳指定容量的元素
 * @param minCapacity 指定容量的最小值
 */
private void grow(int minCapacity) {
    // 检查是否会导致溢出，oldCapacity 为当前数组长度
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // 扩容至原来的1.5倍
    if (newCapacity - minCapacity < 0) // 如果还是小于指定容量的最小值
        newCapacity = minCapacity; // 直接扩容至指定容量的最小值
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0) // 如果超出了数组的最大长度
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity); // 扩容至数组的最大长度
    // 将当前数组复制到一个新数组中，长度为 newCapacity
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

此时：

• 参数 minCapacity 为 10
• 变量 oldCapacity 为 0

所以 newCapacity 也为 0，于是 newCapacity - minCapacity 等于 -10 小于 0，于是第一个 if 条件为 true，执行第一个 if 语句 newCapacity = minCapacity，然后 newCapacity 为 10。

紧接着执行 elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);，也就是进行数组的第一次扩容，长度为 10。

回到 add() 方法：

public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

执行 elementData[size++] = e。

此时：

• size 为 0
• e 为 “Lison520”