Java集合专题（超级详细）
Java集合专题（超级详细）
前言
一、集合是什么？
集合是一个用来存放对象的容器，它只能存放对象（实际上是对象名，即指向地址的指针），在没有集合前，我们是用数组来储存对象的。下面介绍一下集合和数组之间都有哪些不同。
1.集合和数组的区别
| 区别 | 数组 | 集合 |
|---|---|---|
| 长度 | 固定 | 可变 |
| 存放类型 | 基本类型/引用类型 | 引用类型 |
| 存储元素 | 同一种类型 | 不同类型 |
| 操作上 | 添加/删除元素比较麻烦 | 提供add/remove/set/get 比较方便 |
2.Collection体系的继承树
2.1 Collection接口常用方法
- add:添加单个元素
- remove：删除指定元素
- contains：查找元素是否为空
- size：获取元素个数
- isEmpty：判断元素是否为空
- clear：清空
- addAll：添加多个元素
- containsAll：查找多个元素是否都存在
- removeAll：删除多个元素
2.2 Collection常用遍历方式
2.2.1 迭代器Iterator使用
Collection接口遍历元素使用Iterator(称为迭代器)，所有实现Collection接口的集合类都有一个Iterator（）方法，只能用于遍历集合。
List list = new ArrayList<>();
Iterator iterator = list.iterator();//获取迭代器
while (iterator.hasNext()) {//判断是否还有下一个，如果不用hasNext()会报NoSuchElementException
Object next = iterator.next();
System.out.println(next);
}
2.2.2 增强for循环遍历
底层也是采用了 Iterator 的方式实现，可以理解为简化版本的Iterator
List lists = new ArrayList<>();
//增强for循环同样可以用在数组上面
//使用foreach增强for循环
for (Object list:lists) {
System.out.println(list);
}
2.3 List常用遍历方式(3种)
1. 使用迭代器（Iterator）
2. 使用增强for循环
3. 使用普通for循环
2.4 Set常用遍历方式(2种)
1. 使用迭代器（Iterator）
2. 使用增强for循环
3. 不能使用普通for循环（因为没有提供get方法）
3.Map体系的继承树
Map与Collection并列存在。用于保存具有映射关系的数据：Key-Value（双列元素）
Key-Value为了方便遍历，还会创建EntrySet集合，该集合存放元素的类型Entry，而一个Entry对象就有Key，Value。
当HashMap $ Node对象存放到EntrySet就会方便我们遍历，因为Map.Entry<K, V>提供了重要的方法，如下：
Set<Map.Entry<K, V>> entrySet();
interface Entry<K,V> {
K getKey();
V getValue();
...
}
3.1 Map接口常用方法
- put:添加
- remove：根据键删除映射关系
- get：根据键获取值
- size：获取元素个数
- isEmpty：判断元素是否为空
- clear：清空
- containsKey：查找键是否存在
3.2 Map常用遍历方式（6种）
第一组：先取出所有的key，在通过Key获取对应的Values
- 增强for循环
//先取出所有的key，在通过Key获取对应的Values
Set keyset = map.keySet();
for (Object key:keyset) {
System.out.println(key+"__"+map.get(key));
}
- 迭代器
//先取出所有的key，在通过Key获取对应的Values
Set keyset = map.keySet();
Iterator iterator = keyset.iterator();
while (iterator.hasNext()){
Object key = iterator.next();
System.out.println(map.get(key));
}
第二组：取出所有的Values
3. 增强for循环
//把所有的Values值取出
Collection values = map.values();
for (Object value:values) {
System.out.println(value);
}
- 迭代器
//把所有的Values值取出
Collection values = map.values();
Iterator iterator = values.iterator();
while (iterator.hasNext()){
Object value = iterator.next();
System.out.println(value);
}
第三组：通过EntrySet来获取key-value
5. 增强for循环
//通过EntrySet来获取key-value
Set entrySet = map.entrySet();
for (Object entry:entrySet) {
Map.Entry entrys = (Map.Entry) entry;
System.out.println(entrys.getKey()+" "+entrys.getValue());
}
- 迭代器
通过EntrySet来获取key-value
Set entrySet = map.entrySet();
Iterator iterator = entrySet.iterator();
while (iterator.hasNext()){
Object value = iterator.next();
Map.Entry entrys = (Map.Entry) value;
System.out.println(entrys.getKey()+" "+entrys.getValue());
}
4.List，Set，Map三者的区别
Collection集合主要有List和Set两大接口
| 接口 | 有序性 | 重复性 | 索引 |
|---|---|---|---|
| List | 有序 | 可重复 | 有 |
| Set | 无序 | 不可重复 | 无 |
Map是一个键值对集合，存储键、值和之间的映射。 Key无序，唯一；value 不要求有序，允许重复。
5.开发中如何选择集合
其实开发中如何选择集合，主要是取决于业务操作特点，然后根据集合实现类特性进行选择，分析如下：
1.先判断存储类型（是单列还是双列）
单列：Collection接口
-
允许重复：List
- 增删多：LinkedList（底层维护了双向链表）
- 改查多：ArrayList（底层维护了Object类型的可变数组）
-
不允许重复：Set
- 无序：HashSet（底层维护了HashMap）
- 排序：TreeSet
- 插入取出顺序一致：LinkedHashSet（底层维护了数组+双向链表）
双列：Map接口
- 键无序：HashMap
- 键有序：TreeMap
- 读取文件：Properties
- 插入取出顺序一致：LikendHashMap
二、List源码分析
1.ArrayList源码分析
ArrayList是线程不安全的，从源码中可以看出，没有添加synchronized
public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
}
ArrayList (线程不安全），在多线程的情况下不建议使用ArrayList，可以考虑Vector(线程安全)。ArrayList 和Vector基本一样，除了在线程上面不同。
ArrayList底层操作机制源码分析：
-
ArrayList中维护了一个Object类型的数组（transient Object[] elementData）transient 表示该属性不会被序列化。 为什么要使用transient呢？因为lementData是一个缓存数组，它通常会预留一些容量，等容量不足时再扩充容量，那么有些空间可能就没有实际存储元素，可以保证只序列化实际存储的那些元素，而不是整个数组，从而节省空间和时间。
-
当创建ArrayList对象时，如果使用的是无参构造器，则初始化elementData容量为0 ，如果第一次添加，则扩容elementData为10，如果需要再次扩容，则扩容elementData为1.5倍
-
如果使用指定大小的容量capacity构造器，则初始化elementData容量为指定大小的capacity，如果需要扩容，则直接扩容elementData为1.5倍
-
当添加元素时，先判断是否需要扩容，如果需要则调用grow()方法，否则直接添加元素到合适的位置
private void grow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); //位移1位 相当于原来的oldCapacity 除于2
if (newCapacity - minCapacity < 0) //第一次扩容因为oldCapacity为0，所以默认elementData为10
newCapacity = minCapacity;
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
//Arrays.copyOf保证原先的数组不变的情况下，进行扩容
}
2.Vector源码分析
Vector底层也是一个对象数组，protected Object[] elementData，它是线程安全的，操作方法基本都带有synchronized，在开发中需要线程同步安全时，可以考虑Vector
public synchronized boolean add(E e) {
modCount++;
ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
elementData[elementCount++] = e;
return true;
}
public synchronized E get(int index) {
if (index >= elementCount)
throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
return elementData(index);
}
public synchronized E set(int index, E element) {
if (index >= elementCount)
throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
E oldValue = elementData(index);
elementData[index] = element;
return oldValue;
......
}
- 如果是无参构造，默认Capacity为10，当Capacity超出10后就按2倍进行扩容
//无参构造，默认Capacity为10
public Vector() {
this(10);
}
public Vector(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, 0);
}
public Vector(int initialCapacity, int capacityIncrement) {
super();
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
initialCapacity);
this.elementData = new Object[initialCapacity];
this.capacityIncrement = capacityIncrement;
}
//确定是否需要扩容
private void ensureCapacityHelper(int minCapacity) {
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}
private void grow(int minCapacity) {
int oldCapacity = elementData.length;
//capacityIncrement在创建Vector时默认就是0
int newCapacity = oldCapacity + ((capacityIncrement > 0) ?
capacityIncrement : oldCapacity);
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
- 如果是有参构造，指定大小，则每次直接按2倍扩容
- 如果指定大小Capacity和capacityIncrement（自定义扩容大小），则按照自定义扩容大小进行扩容
//也可以进行指定capacityIncrement，不用默认的0
public Vector(int initialCapacity, int capacityIncrement) {
super();
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
initialCapacity);
this.elementData = new Object[initialCapacity];
this.capacityIncrement = capacityIncrement;
}
//扩容核心代码
int newCapacity = oldCapacity + ((capacityIncrement > 0) ?
capacityIncrement : oldCapacity);
3.ArrayList与Vector的区别
| 集合 | 底层结构 | 效率 | 扩容机制 | 版本 |
|---|---|---|---|---|
| ArrayList | 可变数组 | 线程不安全，效率高 | 有参构造 1.5倍，无参第一次10，第二次按1.5倍扩容 | jdk1.2 |
| Vector | 可变数组 | 线程安全效率低 | 无参默认10，按2倍扩容，指定大小，每次也按2倍，通过有参构造修改capacityIncrement ，可以按照capacityIncrement 的值扩容 | jdk1.0 |
4.LinkedList源码分析
- LinkedList底层实现了双向链表，维护了两个属性first（首节点）和last（尾结点），每个节点中维护了prev,item,next三个属性。通过prev自行前一个节点和next指向后一个节点，最终实现双向链表。
transient Node<E> first;
transient Node<E> last;
//node节点（有三个属性）
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;
}
}
4.1 LinkedList添加操作底层分析
1.执行添加操作，在添加第一个元素时，从源码中可以看出 first、last和都指向同一个节点，并且两头为空。
public boolean add(E e) {
linkLast(e);
return true;
}
void linkLast(E e) {
final Node<E> l = last;// 第一次添加 last为null
final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);// l==null
//将新的节点，加入到双向链表的最后
last = newNode; //last 指向newNode
if (l == null)//执行这条语句
first = newNode;//first 指向newNode
else
l.next = newNode;
size++;//链表元素个数
modCount++;//修改次数
}
参考下图更容易理解：
2.执行添加操作，在添加第二个元素时，从源码中可以看出 first、last和都指向同一个节点，并且两头为空。
public boolean add(E e) {
linkLast(e);
return true;
}
void linkLast(E e) {
final Node<E> l = last;// 第二次添加 l指向last
final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);// l==last,这里相当于把新节点 的pre指向last(前一个节点)
//将新的节点，加入到双向链表的最后
last = newNode; //last 指向新的节点newNode（原来的旧节点就断开了）
if (l == null)
first = newNode;
else //l这个时候不为null 执行这条语句
l.next = newNode; //l.next 指向newNode
size++;//链表元素个数
modCount++;//修改次数
}
参考下图更容易理解：
- 可以添加任意元素（元素可以重复），包括null，添加和删除是通过修改节点指向，不是由数组完成的，所以效率较高。
- 线程不安全，没有实现同步
5.ArrayList与LinkedList的区别
| 集合 | 底层结构 | 效率 |
|---|---|---|
| ArrayList | 可变数组 | 增删效率较低（数组扩容）/改查效率较高 |
| LinkedList | 双向链表 | 增删效率较高（链表）/改查效率较低 |
5.1 如何选择ArrayList和LinkedList
1.修改和查找操作多时，我们选择ArrayList，
2.增加和删除操作多时，我们选择LinkedList
注意：这两个集合都是线程不安全的，所以适合在单线程的情况下使用
三、Set源码分析
1.HashSet源码分析
1.1 HashSet添加操作底层分析
1.HashSet底层是HashMap，HashMap底层是（数组+链表+红黑树）
public HashSet() {
map = new HashMap<>();
}
2.添加一个元素时，先得到hash值（hash值是通过(h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16)算法计算得出），在转成索引值
private static final Object PRESENT = new Object();
//PRESENT 占位用 没有实际意义
public boolean add(E e) {
return map.put(e, PRESENT)==null;
}
//这里主要用到key; value=PRESENT 是static共享的
public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
//得到hash值，这里的hash是通过算法计算得到的
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
//核心方法（难点）
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
//table就是HashMap的一个数组，类型是Node[]
//table是null或0,就是第一次扩容到16个空间
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
//resize()执行返回Node<K,V>[]有16个大小的
n = (tab = resize()).length;
//根据key得到的hash，去计算key应该放在table表的哪个索引位置，并把这个位置赋值给p
//如果p为null:表示还未存放元素，就创建一个Node，然后放进去tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
//如果p不为null:
else {
Node<K,V> e; K k;//定义了辅助变量,在需要的时候在创建
//如果当前索引位置对应的链表的第一个元素和准备添加的key的hash值一样
//并且满足下面两个条件之一：
//1、准备加入的key和p指向Node结点的key是同一个对象（地址相同）
//2、准备加入的key和p指向Node结点的key是同一个值（值相同）
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
//这里可以重写equals方法 比如new Person("小明");new Person("小明");
//通过重写equals方法可以让他们按照equals去比较是否相等
e = p;
//判断p是不是红黑树,如果是调用putTreeVal方法
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
//如果table对应索引位置，已经是一个链表，就可以使用for循环比较
//依次和该链表的每一个元素比较后，都不相同，则加入到该链表的最后，添加后立即判断该链表是否已经达到8个节点，如果达到就调用treeifyBin（tab, hash）方法（树化）转成红黑树。
//在转成红黑树时,要进行判断，如果该table数组size小于64（TREEIFY_CAPACITY），不会马上树化，会先扩容table。
//如果发现相同的情况，就直接break
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null);
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e;
}
}
//这里指的是当用HashMap时，key一致，value不可重复（替换原来的value）
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
++modCount;
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
3.找到存储数据表table，看这个索引位置是否已经存放有元素
4.如果没有，直接加入
5.如果有，就调用equals比较，如果相同，就放弃添加，如果不同，则添加到最后
6.在java8中，如果一条链表的元素个数达到TREEIFY_THRESHOLD（默认是8）,并且table的大小>=TREEIFY_CAPACITY（默认64），就会进行树化（红黑树）
1.2 HashSet的扩容和转红黑树机制
- HashSet底层是HashMap，第一次添加时，table数组扩容到16，临界值（threshold）是16*加载因子（loadFactor）0.75=12
- 如果table数组使用到了临界值12，就会扩容到162=32，新的临界值就是320.75=24，以此类推
- 在Java8中，如果一条链表的元素个数达到TREEIFY_THRESHOLD（默认是8）,并且table的大小>= TREEIFY_CAPACITY（默认64），就会进行树化（红黑树），否则仍然采用数组扩容机制
2.LinkedHashSet源码分析
LinkedHashSet底层是一个LinkedHashMap,底层维护了一个数组+双向链表。添加数据和取出元素的顺序一致
2.1 LinkedHashSet添加操作底层分析
1.第一次添加时，直接将数值table扩容到16，存放节点(数据)的类型是LinkedHashMap $ Entry，数组类型是HashMap $ Node[]
作为HashSet的子类，只是比它多了一条链表，这条链表用来记录元素顺序，因此LinkedHashSet其中的元素有序。
static class Entry<K,V> extends HashMap.Node<K,V> {
Entry<K,V> before, after;
Entry(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
super(hash, key, value, next);
}
}
添加方法和前面描述的HashSet添加操作底层分析一样的，这里就不再重复介绍。
public boolean add(E e) {
return map.put(e, PRESENT)==null;
}
四、Map源码分析
1.HashMap源码分析
在上面的HashSet中已经讲过了，这里就简单讲解一下
HashMap是最经典的Map实现，下面以它的视角介绍put的过程：
1.首次扩容：
- 先判断数组是否为空，若数组为空则进行第一次扩容（resize）；
2.计算索引：
- 通过hash算法，计算键值对在数组中的索引；
3.插入数据：
-
如果当前位置元素为空，则直接插入数据；
-
如果当前位置元素非空，且key已存在，则直接覆盖其value；
-
如果当前位置元素非空，且key不存在，则将数据链到链表末端；
-
若链表长度达到8，则将链表转换成红黑树，并将数据插入树中；
4.再次扩容
如果数组中元素个数（size）超过threshold，则再次进行扩容操作。
2.HashTable源码分析
HashTable（线程安全）使用方法基本和HashMap（线程不安全）一致，HashTable的键和值都不能为空
底层用Hashtable $ Entry[] 初始化大小为11。临界值threshold为8 = 11 * loadFactor（0.75）
private transient Entry<?,?>[] table;
public synchronized V put(K key, V value) {
// Make sure the value is not null
if (value == null) {
throw new NullPointerException();
}
Entry<?,?> tab[] = table;
int hash = key.hashCode();
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
@SuppressWarnings("unchecked")
Entry<K,V> entry = (Entry<K,V>)tab[index];
for(; entry != null ; entry = entry.next) {
if ((entry.hash == hash) && entry.key.equals(key)) {
V old = entry.value;
entry.value = value;
return old;
}
}
//添加方法
addEntry(hash, key, value, index);
return null;
}
private void addEntry(int hash, K key, V value, int index) {
modCount++;
Entry<?,?> tab[] = table;
if (count >= threshold) {
// 扩容方法
rehash();
tab = table;
hash = key.hashCode();
index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
}
// Creates the new entry.
@SuppressWarnings("unchecked")
Entry<K,V> e = (Entry<K,V>) tab[index];
tab[index] = new Entry<>(hash, key, value, e);
count++;
}
3.TreeMap源码分析
TreeMap基于红黑树（Red-Black tree）实现。映射根据其键的自然顺序进行排序，或者根据创建映射时提供的 Comparator 进行排序，具体取决于使用的构造方法。TreeMap的基本操作containsKey、get、put、remove方法，它的时间复杂度是log(N)。
TreeMap包含几个重要的成员变量：root、size、comparator。其中root是红黑树的根节点。它是Entry类型，Entry是红黑树的节点，它包含了红黑树的6个基本组成：key、value、left、right、parent和color。Entry节点根据根据Key排序，包含的内容是value。Entry中key比较大小是根据比较器comparator来进行判断的。size是红黑树的节点个数。