一文搞懂Java中的容器(Collection、List、Set、Map、HashSet、HashMap...)
2021/6/2 22:21:05
本文主要是介绍一文搞懂Java中的容器(Collection、List、Set、Map、HashSet、HashMap...),对大家解决编程问题具有一定的参考价值,需要的程序猿们随着小编来一起学习吧!
1 容器
1.1 容器简介
开发和学习中需要时刻和数据打交道,如何组织这些数据是我们编程中重要的内容。我们一般通过“容器”来容纳和管理数据。事实上,我们前面所学的数组就是一种容器,可以在其中放置对象或基本类型数据。
数组的优势:是一种简单的线性序列,可以快速地访问数组元素,效率高。如果从效率和类型检查的角度讲,数组是最好的。
数组的劣势:不灵活。容量需要事先定义好,不能随着需求的变化而扩容。
2 容器的结构
2.1 结构图
2.1.1 单例集合
单例集合:将数据一个一个的进行存储。
2.1.2 双例集合
双例集合:基于 Key 与 Value 的结构存储数据。
3 单例集合的使用
3.1 Collection接口
由于 List、Set 是 Collection 的子接口,意味着所有 List、Set 的实现类都有Collection接口中定义的方法。
3.2 List接口
有序:有序(元素存入集合的顺序和取出的顺序一致)。List 中每个元素都有索引标记。可以根据元素的索引标记(在 List 中的位置)访问元素,从而精确控制这些元素。
可重复:List 允许加入重复的元素。更确切地讲,List 通常允许满足 e1.equals(e2) 的元素重复加入容器。
3.3 ArrayList容器类
ArrayList 是 List 接口的实现类。是 List 存储特征的具体实现。
ArrayList 底层是用数组实现的存储,延迟初始化,1.5倍扩容。特点:查询效率高,增删效率低,线程不安全。
3.4 Vector 容器类
Vector 底层是用数组实现的,立即初始化,2倍扩容。相关的方法都加了同步检查,因此“线程安全,效率低”。
3.4.1 Stack容器
Stack 栈容器,是 Vector 的一个子类,它实现了一个标准的后进先出。
3.5LinkedList 容器类
LinkedList 底层用双向链表实现的存储。特点:查询效率低,增删效率高,线程不安全。
3.6 Set 接口介绍
Set 接口继承自 Collection,Set 接口中没有新增方法,方法和 Collection 保持完全一致。
3.6.1 Set接口特点
Set 特点:无序、不可重复。无序指 Set 中的元素没有索引,我们只能遍历查找;不可重复指不允许加入重复的元素。更确切地讲,新元素如果和 Set 中某个元素通过 equals()方法对比为 true,则只能保留一个。
3.6.2 HashSet 容器类
HashSet 是一个没有重复元素的集合,不保证元素的顺序。而且 HashSet 允许有 null 元素。HashSet 是采用哈希算法实现,底层实际是用 HashMap 实现的(HashSet 本质就是一个简化版的 HashMap),因此,查询效率和增删效率都比较高。
Hash 算法原理:Hash 算法也称之为散列算法。
HashSet 是一个不保证元素的顺序且没有重复元素的集合,是线程不安全的。HashSet允许有 null 元素。
无序:在 HashSet 中底层是使用 HashMap 存储元素的。HashMap 底层使用的是数组与链表实现元素的存储。元素在数组中存放时,并不是有序存放的也不是随机存放的,而是对元素的哈希值进行运算决定元素在数组中的位置。
不重复:当两个元素的哈希值进行运算后得到相同的在数组中的位置时,会调用元素的 equals()方法判断两个元素是否相同。如果元素相同则不会添加该元素,如果不相同则会使用单向链表保存该元素。
利用HashSet存储自定义数据类型时,应重写equals()和hashCode()方法。
3.6.3 TreeSet容器类
TreeSet 是一个可以对元素进行排序的容器。底层实际是用 TreeMap 实现的,内部维持了一个简化版的 TreeMap,通过 key 来存储 Set 的元素。 TreeSet 内部需要对存储的元素进行排序,因此,我们需要给定排序规则。
排序规则实现方式:
- 通过元素自身实现比较规则。
在元素自身实现比较规则时,需要实现 Comparable 接口中的 compareTo 方法,该方法中用来定义比较规则。TreeSet 通过调用该方法来完成对元素的排序处理。
public class Users implements Comparable<Users>{ private String username; private int userage; public Users(String username, int userage) { this.username = username; this.userage = userage; } public Users() { } @Override public boolean equals(Object o) { System.out.println("equals..."); if (this == o) return true; if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false; Users users = (Users) o; if (userage != users.userage) return false; return username != null ? username.equals(users.username) : users.username == null; } @Override public int hashCode() { int result = username != null ? username.hashCode() : 0; result = 31 * result + userage; return result; } public String getUsername() { return username; } public void setUsername(String username) { this.username = username; } public int getUserage() { return userage; } public void setUserage(int userage) { this.userage = userage; } @Override public String toString() { return "Users{" + "username='" + username + '\'' + ", userage=" + userage + '}'; } //定义比较规则 //正数:大,负数:小,0:相等 @Override public int compareTo(Users o) { if(this.userage > o.getUserage()){ return 1; } if(this.userage == o.getUserage()){ return this.username.compareTo(o.getUsername()); } return -1; } }
- 通过比较器指定比较规则。
通过比较器定义比较规则时,我们需要单独创建一个比较器,比较器需要实现
Comparator 接口中的 compare 方法来定义比较规则。在实例化 TreeSet 时将比较器对象交给TreeSet 来完成元素的排序处理。此时元素自身就不需要实现比较规则了。
public class StudentComparator implements Comparator<Student> { //定义比较规则 @Override public int compare(Student o1, Student o2) { if(o1.getAge() > o2.getAge()){ return 1; } if(o1.getAge() == o2.getAge()){ return o1.getName().compareTo(o2.getName()); } return -1; } }
Set<Student> set2 = new TreeSet<>(new StudentComparator()); Student s = new Student("oldlu",18); Student s1 = new Student("admin",22); Student s2 = new Student("sxt",22); set2.add(s); set2.add(s1); set2.add(s2); for(Student student:set2){ System.out.println(student); }
4 双例集合
4.1 Map接口介绍
Map 接口定义了双例集合的存储特征,它并不是 Collection 接口的子接口。双例集合的存储特征是以 key 与 value 结构为单位进行存储。
Map 与 Collecton 的区别:
- Collection 中的容器,元素是孤立存在的(理解为单身),向集合中存储元素采用一个个元素的方式存储。
- Map 中的容器,元素是成对存在的(理解为现代社会的夫妻)。每个元素由键与值两部分组成,通过键可以找对所对应的值。
- Collection 中的容器称为单列集合,Map 中的容器称为双列集合。
- Map 中的集合不能包含重复的键,值可以重复;每个键只能对应一个值。
- Map 中常用的容器为 HashMap,TreeMap 等。
4.2 HashMap容器类
HashMap 是 Map 接口的接口实现类,它采用哈希算法实现,是 Map 接口最常用的实现类。 由于底层采用了哈希表存储数据,所以要求键不能重复,如果发生重复,新的值会替换旧的值。 HashMap 在查找、删除、修改方面都有非常高的效率。
4.2.1 获取元素
- 方式一
通过 get 方法获取元素。
String val = map.get("a"); System.out.println(val);
- 方式二
通过 keySet 方法获取元素
//获取 HashMap 容器中所有的元素,可以使用 keySet 方法与 get 方法一并完成。 Set<String> keys = map.keySet(); for(String key:keys){ String v1 = map.get(key); System.out.println(key+" ---- "+v1); }
- 方式三
通过 entrySet 方法获取 Map.Entry 类型(内部接口类型)
Set<Map.Entry<String,String>> entrySet = map.entrySet(); for(Map.Entry<String,String> entry:entrySet){ String key = entry.getKey(); String v = entry.getValue(); System.out.println(key+" ---------- "+v); }
4.2.2 HashMap底层源码分析
HashMap 底层实现采用了哈希表,这是一种非常重要的数据结构。
数据结构中由数组和链表来实现对数据的存储,他们各有特点。
(1) 数组:占用空间连续。 寻址容易,查询速度快。但是,增加和删除效率非常低。
(2) 链表:占用空间不连续。 寻址困难,查询速度慢。但是,增加和删除效率非常高。
哈希表的本质就是“数组+链表”。
在 JDK1.8 的 HashMap 中对于数组的初始化采用的是延迟初始化方式。通过 resize 方法实现初始化处理。resize 方法既实现数组初始化,也实现数组扩容处理。
计算 Hash 值
(1) 获得 key 对象的 hashcode
首先调用 key 对象的 hashcode()方法,获得 key 的 hashcode 值。
(2) 根据 hashcode 计算出 hash 值(要求在[0, 数组长度-1]区间)
hashcode 是一个整数,我们需要将它转化成[0, 数组长度-1]的范围。我们要求转化后的 hash 值尽量均匀地分布在[0,数组长度-1]这个区间,减少“hash 冲突”。
- 一种极端简单和低下的算法是:
hash 值 = hashcode/hashcode;也就是说,hash 值总是 1。意味着,键值对对象都会存储到数组索引 1位置,这样就形成一个非常长的链表。相当于每存储一个对象都会发生“hash冲突”,HashMap 也退化成了一个“链表”。 - 一种简单和常用的算法是(相除取余算法):
hash 值 =hashcode%数组长度,这种算法可以让 hash 值均匀的分布在[0,数组长度-1]的区间。但是,这种算法由于使用了“除法”,效率低下。 - JDK算法
首先约定数组长度必须为 2 的整数幂,这样采用位运算即可实现取余的效果:hash 值 =hashcode&(数组长度-1)。
4.3 TreeMap容器类
HashMap 效率高于 TreeMap;TreeMap 是可以对键进行排序的一种容器,在需要对键排序时可选用 TreeMap。TreeMap 底层是基于红黑树实现的。
在使用 TreeMap 时需要给定排序规则:
- 元素自身实现比较规则
- 通过比较器实现比较规则
5 Iterator迭代器
Collection接口继承了Iterable接口,在该接口中包含一个名为iterator的抽象方法,所有实现了Collection接口的容器类对该方法做了具体实现。iterator方法会返回一个Iterator接口类型的迭代器对象,在该对象中包含了三个方法用于实现对单例容器的迭代处理。
- boolean hasNext(); //判断游标当前位置是否有元素,如果有返回true,否则返回false;
- Object next();//获取当前游标所在位置的元素,并将游标移动到下一个位置;
- void remove();//删除游标当前位置的元素,在执行完next后该操作只能执行
一次;
注:迭代器对象只能使用一次。
6 Collections 工具类
Collections 是一个工具类,它提供了对 Set、List、Map 进行排序、填充、查找元素的辅助方法。该类中所有的方法都为静态方法。
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