Java基础！集合类框架详解

在编写java程序中，我们最常用的除了八种基本数据类型，String对象外还有一个集合类，在我们的的程序中到处充斥着集合类的身影！

java中集合大家族的成员实在是太丰富了，有常用的ArrayList、HashMap、HashSet，也有不常用的Stack、Queue，有线程安全的Vector、HashTable，也有线程不安全的LinkedList、TreeMap等等！

上面的图展示了整个集合大家族的成员以及他们之间的关系。下面就上面的各个接口、基类做一些简单的介绍(主要介绍各个集合的特点。区别)。

下面几张图更清晰地介绍了结合类接口间的关系：

Collections和Collection。 Arrays和Collections。

Collection的子接口

map的实现类

Collection接口

Collection接口是最基本的集合接口，它不提供直接的实现，Java SDK提供的类都是继承自Collection的“子接口”如List和Set。Collection所代表的是一种规则，它所包含的元素都必须遵循一条或者多条规则。如有些允许重复而有些则不能重复、有些必须要按照顺序插入而有些则是散列，有些支持排序但是有些则不支持。

在Java中所有实现了Collection接口的类都必须提供两套标准的构造函数，一个是无参，用于创建一个空的Collection，一个是带有Collection参数的有参构造函数，用于创建一个新的Collection，这个新的Collection与传入进来的Collection具备相同的元素。 //要求实现基本的增删改查方法，并且需要能够转换为数组类型

public class Collection接口 {
    class collect implements Collection {

        @Override
        public int size() {
            return 0;
        }

        @Override
        public boolean isEmpty() {
            return false;
        }

        @Override
        public boolean contains(Object o) {
            return false;
        }

        @Override
        public Iterator iterator() {
            return null;
        }

        @Override
        public Object[] toArray() {
            return new Object[0];
        }

        @Override
        public boolean add(Object o) {
            return false;
        }

        @Override
        public boolean remove(Object o) {
            return false;
        }

        @Override
        public boolean addAll(Collection c) {
            return false;
        }

        @Override
        public void clear() {

        }
//省略部分代码  

        @Override
        public Object[] toArray(Object[] a) {
            return new Object[0];
        }
    }
}

List接口

List接口为Collection直接接口。List所代表的是有序的Collection，即它用某种特定的插入顺序来维护元素顺序。用户可以对列表中每个元素的插入位置进行精确地控制，同时可以根据元素的整数索引（在列表中的位置）访问元素，并搜索列表中的元素。实现List接口的集合主要有：ArrayList、LinkedList、Vector、Stack。

2.1、ArrayList

ArrayList是一个动态数组，也是我们最常用的集合。它允许任何符合规则的元素插入甚至包括null。每一个ArrayList都有一个初始容量（10），该容量代表了数组的大小。随着容器中的元素不断增加，容器的大小也会随着增加。在每次向容器中增加元素的同时都会进行容量检查，当快溢出时，就会进行扩容操作。

所以如果我们明确所插入元素的多少，最好指定一个初始容量值，避免过多的进行扩容操作而浪费时间、效率。 size、isEmpty、get、set、iterator 和 listIterator 操作都以固定时间运行。add 操作以分摊的固定时间运行，也就是说，添加 n 个元素需要 O(n) 时间（由于要考虑到扩容，所以这不只是添加元素会带来分摊固定时间开销那样简单）。 ArrayList擅长于随机访问。同时ArrayList是非同步的。

2.2、LinkedList

同样实现List接口的LinkedList与ArrayList不同，ArrayList是一个动态数组，而LinkedList是一个双向链表。所以它除了有ArrayList的基本操作方法外还额外提供了get，remove，insert方法在LinkedList的首部或尾部。

由于实现的方式不同，LinkedList不能随机访问，它所有的操作都是要按照双重链表的需要执行。在列表中索引的操作将从开头或结尾遍历列表（从靠近指定索引的一端）。这样做的好处就是可以通过较低的代价在List中进行插入和删除操作。

与ArrayList一样，LinkedList也是非同步的。如果多个线程同时访问一个List，则必须自己实现访问同步。一种解决方法是在创建List时构造一个同步的List： List list = Collections.synchronizedList(new LinkedList(...));

2.3、Vector 与ArrayList相似，但是Vector是同步的。

所以说Vector是线程安全的动态数组。它的操作与ArrayList几乎一样。

2.4、Stack Stack继承自Vector，实现一个后进先出的堆栈。

Stack提供5个额外的方法使得Vector得以被当作堆栈使用。基本的push和pop 方法，还有peek方法得到栈顶的元素，empty方法测试堆栈是否为空，search方法检测一个元素在堆栈中的位置。Stack刚创建后是空栈。

public class List接口 {
    //下面是List的继承关系，由于List接口规定了包括诸如索引查询，迭代器的实现，所以实现List接口的类都会有这些方法。
    //所以不管是ArrayList和LinkedList底层都可以使用数组操作，但一般不提供这样外部调用方法。
    //    public interface Iterable<T>
//    public interface Collection<E> extends Iterable<E>
//    public interface List<E> extends Collection<E>
    class MyList implements List {

        @Override
        public int size() {
            return 0;
        }

        @Override
        public boolean isEmpty() {
            return false;
        }

        @Override
        public boolean contains(Object o) {
            return false;
        }

        @Override
        public Iterator iterator() {
            return null;
        }

        @Override
        public Object[] toArray() {
            return new Object[0];
        }

        @Override
        public boolean add(Object o) {
            return false;
        }

        @Override
        public boolean remove(Object o) {
            return false;
        }

        @Override
        public void clear() {

        }

       //省略部分代码
       
        @Override
        public Object get(int index) {
            return null;
        }

        @Override
        public ListIterator listIterator() {
            return null;
        }

        @Override
        public ListIterator listIterator(int index) {
            return null;
        }

        @Override
        public List subList(int fromIndex, int toIndex) {
            return null;
        }

        @Override
        public Object[] toArray(Object[] a) {
            return new Object[0];
        }
    }
}

Set接口

Set是一种不包括重复元素的Collection。它维持它自己的内部排序，所以随机访问没有任何意义。与List一样，它同样运行null的存在但是仅有一个。

由于Set接口的特殊性，所有传入Set集合中的元素都必须不同，同时要注意任何可变对象，如果在对集合中元素进行操作时，导致e1.equals(e2)==true，则必定会产生某些问题。实现了Set接口的集合有：EnumSet、HashSet、TreeSet。

3.1、EnumSet 是枚举的专用Set。所有的元素都是枚举类型。

3.2、HashSet HashSet堪称查询速度最快的集合，因为其内部是以HashCode来实现的。

它内部元素的顺序是由哈希码来决定的，所以它不保证set 的迭代顺序；特别是它不保证该顺序恒久不变。

public class Set接口 {
    // Set接口规定将set看成一个集合，并且使用和数组类似的增删改查方式，同时提供iterator迭代器
    //    public interface Set<E> extends Collection<E>
    //    public interface Collection<E> extends Iterable<E>
    //    public interface Iterable<T>
    class MySet implements Set {

        @Override
        public int size() {
            return 0;
        }

        @Override
        public boolean isEmpty() {
            return false;
        }

        @Override
        public boolean contains(Object o) {
            return false;
        }

        @Override
        public Iterator iterator() {
            return null;
        }

        @Override
        public Object[] toArray() {
            return new Object[0];
        }

        @Override
        public boolean add(Object o) {
            return false;
        }

        @Override
        public boolean remove(Object o) {
            return false;
        }

        @Override
        public boolean addAll(Collection c) {
            return false;
        }

        @Override
        public void clear() {

        }

        @Override
        public boolean removeAll(Collection c) {
            return false;
        }

        @Override
        public boolean retainAll(Collection c) {
            return false;
        }

        @Override
        public boolean containsAll(Collection c) {
            return false;
        }

        @Override
        public Object[] toArray(Object[] a) {
            return new Object[0];
        }
    }
}

Map接口

Map与List、Set接口不同，它是由一系列键值对组成的集合，提供了key到Value的映射。同时它也没有继承Collection。在Map中它保证了key与value之间的一一对应关系。也就是说一个key对应一个value，所以它不能存在相同的key值，当然value值可以相同。实现map的有：HashMap、TreeMap、HashTable、Properties、EnumMap。

4.1、HashMap 以哈希表数据结构实现

查找对象时通过哈希函数计算其位置，它是为快速查询而设计的，其内部定义了一个hash表数组（Entry[] table），元素会通过哈希转换函数将元素的哈希地址转换成数组中存放的索引，如果有冲突，则使用散列链表的形式将所有相同哈希地址的元素串起来，可能通过查看HashMap.Entry的源码它是一个单链表结构。

4.2、TreeMap 键以某种排序规则排序

内部以red-black（红-黑）树数据结构实现，实现了SortedMap接口

4.3、HashTable 也是以哈希表数据结构实现的

解决冲突时与HashMap也一样也是采用了散列链表的形式，不过性能比HashMap要低

public class Map接口 {
    //Map接口是最上层接口，Map接口实现类必须实现put和get等哈希操作。
    //并且要提供keyset和values，以及entryset等查询结构。
    //public interface Map<K,V>
    class MyMap implements Map {

        @Override
        public int size() {
            return 0;
        }

        @Override
        public boolean isEmpty() {
            return false;
        }

        @Override
        public boolean containsKey(Object key) {
            return false;
        }

        @Override
        public boolean containsValue(Object value) {
            return false;
        }

        @Override
        public Object get(Object key) {
            return null;
        }

        @Override
        public Object put(Object key, Object value) {
            return null;
        }

        @Override
        public Object remove(Object key) {
            return null;
        }

        @Override
        public void putAll(Map m) {

        }

        @Override
        public void clear() {

        }

        @Override
        public Set keySet() {
            return null;
        }

        @Override
        public Collection values() {
            return null;
        }

        @Override
        public Set<Entry> entrySet() {
            return null;
        }
    }
}

Queue

队列，它主要分为两大类，一类是阻塞式队列，队列满了以后再插入元素则会抛出异常，主要包括ArrayBlockQueue、PriorityBlockingQueue、LinkedBlockingQueue。

另一种队列则是双端队列，支持在头、尾两端插入和移除元素，主要包括：ArrayDeque、LinkedBlockingDeque、LinkedList。

public class Queue接口 {
    //queue接口是对队列的一个实现，需要提供队列的进队出队等方法。一般使用linkedlist作为实现类
    class MyQueue implements Queue {

        @Override
        public int size() {
            return 0;
        }

        @Override
        public boolean isEmpty() {
            return false;
        }

        @Override
        public boolean contains(Object o) {
            return false;
        }

        @Override
        public Iterator iterator() {
            return null;
        }

        @Override
        public Object[] toArray() {
            return new Object[0];
        }

        @Override
        public Object[] toArray(Object[] a) {
            return new Object[0];
        }

        @Override
        public boolean add(Object o) {
            return false;
        }

        @Override
        public boolean remove(Object o) {
            return false;
        }

        //省略部分代码
        @Override
        public boolean offer(Object o) {
            return false;
        }

        @Override
        public Object remove() {
            return null;
        }

        @Override
        public Object poll() {
            return null;
        }

        @Override
        public Object element() {
            return null;
        }

        @Override
        public Object peek() {
            return null;
        }
    }
}

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