Java基础--说集合框架

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1，Java中，集合是什么？为什么会出现？

　　根据数学的定义，集合是一个元素或多个元素的构成，即集合一个装有元素的容器。

　　Java中已经有数组这一装有元素的容器，为什么还要新建其它容器？废话，肯定是数组满足不了实际需求。

      数组满足不了的需求：

      • 动态改变容器的大小，如果加入的元素个数不确定，我们需要动态改变容器的大小。
      • 数组提供的功能和性能不完善，例如查找效率低，元素之间是无序的。作为成熟的编程语言，Java需要提供更加功能更加丰富的容器。

      鉴于此，Java创建了集合框架的相关接口和实现类。　　

2，集合框架的设计思想是什么？

　　由上所述，Java集合框架首先要可以动态改变添加和删除元素，此外还要提供更丰富的方法来处理数据。

      由于集合是依赖数据元素而存在的，考虑元素的构成，我们可以将程序需要处理的数据抽象成类似于关系数据库的形式，每一行是一个数据，并且有索引（主键），我们将数据分为<索引：数据>这样的键值对形式，Java中用Map接口就是基于此产生。

　　考虑数据为单一元素时（基本数据类型或引用类型），虽然仍可以用Map存储（可以用一个自增值作为键）但意义不大。为了适应这种情况Collection接口被创造出来。

      以上就是Java集合框架顶层接口Map和Collection的设计初衷。

3，具体集合类有哪些？它们特点是什么？

　3.1、首先考虑简单的Collection接口，对于单个元素存储来说，根据单个元素属性来创建Collection的子接口或者实现类。这些属性有是否要存储相同的，存储是否是有序的。在Java中我们根据是否要存储相同元素设计了Collection常用的两个子接口List和Set.相同和不相同的判断默认判断标准是e1.equals(e2)。

    • List:可以存储重复元素
    • Set:只存不同元素

List：实现List接口常见的类有：

      • ArrayList:底层是可变数组数据结构实现，因此查询快（地址连续，跳转少），增删慢（地址改变），但线程不安全，多线程用时注意。
      • Vector:线程安全的ArrayList，每个方法都被同步了，因此使用效率低，实际中使用较少。
      • LinkedList：底层用双向链表实现，因此查询慢（地址跳转多）,增删快。

使用原则：不考虑性能，常用ArrayList。当考虑性能时，如果需要查询操作较多用ArrayList，增删操作较多则用LinkedList

      Set:实现Set接口常见的类有，Set用默认用元素的hashCode()方法保证元素的唯一性。

      • HashSet：底层用哈希表实现，无序，加入顺序和存储顺序没有必然联系。
      • TreeSet：底层用红黑树（自平衡的二叉树）。使用元素的自然顺序，e1.equals(e2)比较作为大小判断标准。

使用原则：根据是否需要对添加的元素进行划分。需要用TreeSet，否则用HashSet

        3.2 Map接口，Map接口较为简单，不过需要强调的是Map进行比较等操作都是针对键来说的。常用的实现类：

      • HashMap:无序
      • TreeMap：有序
      • HashTable:HashMap的线程安全实现，不允许NULL，作为键值。

4，具体集合类常用方法？注意事项？

　　对于集合类来讲，添加，查找，遍历，删除是必须的。其中添加，查找，遍历是基础操作，其它都是依赖于这些操作进行的。

     4.1Collection: 

           添加:boolean  add(E e) 

           查找：boolean contains(Object o)是否包含

           遍历：用迭代器接口Iterator<E> iterator()

　　　　　　使用样例：   

Iterator it = c.iterator();
while(it.hasNext()){
    it.next();
}
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           以ArrayList为例：　　

import java.util.ArrayList;
import java.util.Collection;
import java.util.Iterator;

public class ArrayListDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Collection<String> al = new ArrayList<String>();
        
        al.add("a");//添加
        al.add("b");
        al.add("c");
        al.add("d");
        //查询是否含有
        System.out.println(al.contains("a"));
        
        //遍历
        Iterator<String> i = al.iterator();
        while(i.hasNext()){
            String tmp = i.next();
            System.out.println(tmp);
        }
        for(String str:al){System.out.println(str);}
    }
}
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        类特有的方法

　　　　ArrayList，由于ArrayList是用可变数组实现的因此会有关索引的操作。

　　　　　　ArrayList:扩容如果初始不指明ArrayList大小,则初始化为10

　　　　　　　　　　　当需要扩容时，可以指定扩容大小，默认增长为原来的1.5倍-1（Vector扩容为原来的一倍。）

                ArrayList()是顺序添加元素。先进位置越靠前。

　　　　　　　　E get(int index)：返回索引位置的的数据

　　　　　　　　E set(int index, E element)：修改索引位置的元素

　　　　　　　　E remove(int index)

　　　　　　　　boolean remove(Object o)

            LinkedList，采用双向链表实现，因此具备一个反向的迭代器。

ListIterator<String> i =  lk.listIterator(lk.size());
while(i.hasPrevious()){
        String tmp = i.previous();
        System.out.println(tmp);
    }
for(String str:lk){System.out.println(str);}

/**
 * d
 * c
 * b
 * a
 * a
 * b
 * c
 * d
 */
View Code

        Set：

    • 保证元素的唯一性机制

　　　　　　查看Set的add方法源码：boolean add(E e);是一个抽象方法，

　　　　　　因此定位到HashSet的add()方法

//HashSet的add源码 map是一个HashMap对象
public boolean add(E e) {
        return map.put(e, PRESENT)==null;
    }
View Code

　　　　　　发现HashSet是使用HashMap来保证元素的唯一性。追踪的HashMap的put()方法源码：

int hash = hash(key);
int i = indexFor(hash, table.length);
for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
    Object k;
    if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {                   
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;
            }
 }
modCount++;
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
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              添加元素时先计算待添加元素的哈希值，然后从table中查找，如果查找到，则e不为空，不进入循环，则原来的元素不动，否则进入循环再利用equals() 方法判断是否和其它元素相同。

　　　　  综上Set用来保证元素唯一性的机制是：

　　　　 比较hashCode()，根据hashCode()查找元素：

　　　　查找：

　　　　　　yes-->原来位置的元素不发生改变

　　　　      no：

　　　　　　　　用equals()和其他元素相比

　　　　　　　　 相同  原来位置的元素不发生改变

　　　　　　　　 不同  加入新元素

             同理追踪TreeSet的源码可以得到它也是由TreeMap来保证有序的。

    •  HashSet的使用　　

和ArrayList类似没有很特殊的方法，如果需要加入的元素的不同一般使用HashSet

    • TreeSet的使用

TreeSet可以保证元素以自然顺序（equals()）排列，默认递增。

    • 使用Set注意事项

　　　　　　保证引用类型元素唯一：

其实，Set使用元素的hashCode()返回值和equals()保证唯一，用默认的比较器保证有序，这在元素是基本数据类型时没有问题的，但当数据元素是引用类型时，由于相同对象的不同引用可能在现实中代表同一个对象实例。例如一下情景：

Student类

//假设业务要求姓名和年龄相同代表同一个学生
public class Student(){
    String name;
    int age;
    public Student(String name, int age){
         this.name = name;
         this.age = age;
    }
}
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　　　　　　HashSetDemo主类

import java.util.HashSet;
import java.util.Set;

public class HashSetDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Set<Student> s = new HashSet<Student>();
        Student s1 = new Student("小明",16); 
        Student s2 = new Student("小明",16);
        s.add(s1);
        s.add(s2);
        for(Student st:s){System.out.println(st);}
    }
}
/*
 * 输出：
 *     collection.Student@4b0bc3c9
 *  collection.Student@5f0ee5b8
 * */
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　　　　　　可以看到HashSet将相同的一个人加了两次，因此为了这种情况，在数据元素是自定义类时，我们通常需要自定义hashCode()方法和equals()方法。 

         就需要改写方法元素的hashCode()和equals()方法。在Eclipse中可以自动生成。Source-->Generate hashCode()和equals()

                 修改后的Student类 

public class Student {
      @Override
    public String toString() {
        return "Student [name=" + name + ", age=" + age + "]";
    }
    @Override
    public int hashCode() {
        final int prime = 31;
        int result = 1;
        result = prime * result + age;
        result = prime * result + ((name == null) ? 0 : name.hashCode());
        return result;
    }
    @Override
    public boolean equals(Object obj) {
        if (this == obj)
            return true;
        if (obj == null)
            return false;
        if (getClass() != obj.getClass())
            return false;
        Student other = (Student) obj;
        if (age != other.age)
            return false;
        if (name == null) {
            if (other.name != null)
                return false;
        } else if (!name.equals(other.name))
            return false;
        return true;
    }
    String name;
    int age;
      public Student(String name, int age){
          this.name = name;
          this.age = age;
      }
}
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　　　　　　TreeSet保证引用类型有序

　　　　　　TreeSet构造方法

                 TreeSet(Comparator<? super E> comparator).Comparator是一个比较器接口，我们新建TreeSet时不声明比较器，这时TreeSet按照元素的自然顺序（equals()）上升排序，当我们自定义Comparator类后TreeSet就可以按照我们业务要求来写比较器。下面是一个针对学生类的比较器

　　　　　　业务规定：按年龄从大到小排序

　　　　　　比较器类

public class MyComparator implements Comparator<Student>{

    @Override
    public int compare(Student o1, Student o2) {
        if(o1.age>o2.age){
            return -1;
        }
        if(o1.age<o2.age){
            return 1;
        }
        if(o1.equals(o2)&&o1.hashCode()==o2.hashCode()){
            return 0;
        }
        return 1;
    }
}
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                 之所以比较hashCode和equals方法是因为TreeSet加入元素时如果如果返回为0会认为两个元素相同，只添加一个（原来的值）。

　　　　　　主类调用　　　　

import java.util.Set;
import java.util.TreeSet;

public class TreeSetDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Set<Student> s = new TreeSet<Student>(new MyComparator());
        Student s1 = new Student("小明",16); 
        Student s2 = new Student("小lizi",19);
        Student s3 = new Student("小lizi",20);
        Student s4 = new Student("小lizie",20);
        s.add(s1);
        s.add(s2);
        s.add(s3);
        s.add(s4);
        for(Student st:s){System.out.println(st.toString());}
    }
    
    /*
     * (Student [name=小lizi, age=20]
     * Student [name=小lizie, age=20]
         * Student [name=小lizi, age=19]
         * Student [name=小明, age=16]
     */
}
View Code

    4.2 Map

　　　　　Map是针对元素为键值对形式数据的容器，由于Set数据的加入依赖Map的实现类HashMap和TreeMao，故Set使用事项的描述也适用于Map。即在Map加入引用数据类型作为键值时，也应该重写键值对象的hashCode()和equals()方法，同时TreeMap再加入元素时，需要自定义比较器。

　　　　　Map和Collection使用上形式上最大的不同是遍历操作：

　　　　　　Set<Map.Entry<K,V>> entrySet()

　　　　　　使用规则：

Map<String,String> map = new HashMap<String,String>();
map.put("a", "a");
map.put("b", "b");
map.put("c", "c");
map.put("d", "d");
Set<Map.Entry<String, String>> myset = map.entrySet();
for(Map.Entry<String, String> me:myset){
    System.out.println(me.getKey());
    System.out.println(me.getValue());
}
View Code

               此外Map提供获取所有的键集，值集等操作，可查阅API使用，较为简单。

5，总结集合框架

　　    5.1结构

　　       Collection

　　　　　　|List

　　　　　　　　|ArrayList:一般使用，数组实现，查询快，增删慢，线程不安全

　　　　　　　　|Vector：较为少用，线程安全，但效率较低

　　　　　　　　|LinkedList:双向链表实现，查询慢，增删快，线程不安全

　　　　　　|Set

　　　　　　　　|HashSet:HashMap

　　　　　　　　|TreeSet:红黑二叉树实现

　　　　  Map:

　　　　　　|HashMap 无序

　　　　　　|TreeMap  有序

        5.2 泛型

　　　　List<String> a = new ArrayList<String>();//a中存储的数据类型在编译器就确定下来

　　　　List a = new ArrayList();//a中存储的数据类型运行时才知道

　　ps.

　　　　

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