Java数据结构和集合框架Collection计算机核心基础之数据结构什么是数据结构是计算机科学中一个非常重要的概念

计算机核心基础之数据结构

什么是数据结构
- 是计算机科学中一个非常重要的概念，它指的是相互之间存在一种或多种特定关系的数据元素的集合。
- 简单来说，数据结构就是组织、存储和操作数据的方式或方法。
- 在计算机程序中，合理的数据结构能够大大提高程序的运行效率，减少存储空间的使用，并使程序更易于理解和维护
用途场景
- 提高程序效率：通过选择合适的数据结构，可以优化程序的性能，减少不必要的计算和存储开销。
- 简化算法设计：数据结构为算法的实现提供了基础，通过抽象数据之间的关系，可以使算法更加清晰和易于理解。
数据结构分类
- 线性数据结构
  - 数组（Array）：固定大小、连续存储的数据元素集合。
  - 链表（LinkedList）：由节点组成，每个节点包含数据元素和指向下一个节点的指针。
  - 栈（Stack）：后进先出（LIFO）的数据结构，只允许在一端进行插入和删除操作。
  - 队列（Queue）：先进先出（FIFO）的数据结构，在一端插入元素，在另一端删除元素。
- 非线性数据结构
  - 树（Tree）：由节点和边组成的层次结构，每个节点可以有零个或多个子节点。
  - 图（Graph）：由节点（或顶点）和边（或弧）组成的集合，用于表示复杂的数据关系。

Java进阶核心之Collection集合框架概要

什么是Java的集合框架
- Java的集合框架（Collection Framework）是一个用于表示和操作对象的集合的统一架构。
- 它包含了许多接口、实现类以及算法，可以高效地存储和操作多个对象。
- 集合框架是Java API的一部分，它允许我们将对象组合成更大的结构，同时提供了对这些结构的高层次操作。
- 通俗来说：就是java已经封装好的数据结构类，我们开发可以直接用

集合框架的主要接口和类

Collection接口

是所有集合类的根接口，定义了集合类应该具备的一些基本方法，如添加、删除、遍历等。

常见方法列表

boolean add(E e) 向集合中添加指定的元素。如果集合已经包含该元素，则此方法可能不执行任何操作（对于Set而言）。
boolean addAll(Collection<? extends E> c) 将指定集合中的所有元素添加到此集合中（可选操作）。
void clear() 移除集合中的所有元素（可选操作）。
boolean contains(Object o) 如果此集合包含指定的元素，则返回true。
boolean containsAll(Collection<?> c)如果此集合包含指定集合中的所有元素，则返回true
boolean isEmpty() 如果此集合不包含任何元素，则返回true。
Iterator<E> iterator()返回在此集合中的元素上进行迭代的迭代器。
boolean remove(Object o)从此集合中移除指定的元素（如果存在）。
boolean removeAll(Collection<?> c)从此集合中移除指定集合中包含的所有元素（可选操作）。
boolean retainAll(Collection<?> c)仅保留此集合中也包含在指定集合中的元素（可选操作）。
int size()返回此集合中的元素数（其容量）。

List接口
- 继承了Collection接口，代表一个有序集合，允许有重复的元素。
- 实现类有ArrayList、LinkedList、Vector等。
Set接口
- 继承了Collection接口，代表一个无序集合，不允许有重复的元素。
- 实现类有HashSet、TreeSet等。
Queue接口
- 代表一个队列，用于保存等待处理的元素，队列是一种特殊的线性表
- 它只允许在表的前端（front）进行删除操作，而在表的后端（rear）进行插入操作。
- 实现类有LinkedList（它同时实现了List和Queue接口）、PriorityQueue等。
Map接口(没继承Collection接口，本身是顶级接口)
- 代表一个映射关系，将键（Key）映射到值（Value），键不允许重复，但值可以重复。
- 实现类有HashMap、TreeMap、Hashtable等。

迭代器
- 集合框架中的一个重要概念，它提供了一种遍历集合元素的方式，而不需要了解集合底层的实现细节。
- 使用迭代器可以安全地遍历集合，并且可以在遍历过程中安全地修改集合（除了并发修改外）。

例：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class CollectionDemo {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        list.add("a");
        list.add("b");
        list.add("c");
        for (String str : list) {
            System.out.println(str);
        }
        list.remove("c");
        for (String str : list) {
            System.out.println(str);
        }
    }
}

总结
- Java的集合框架为我们提供了一种统一的方式来操作对象集合，它包括了多种类型的集合（如List、Set、Queue、Map等）
- 以及许多用于操作这些集合的算法和工具类，掌握集合框架是Java编程中非常重要的一部分。

Java进阶核心之集合框架List

什么是List数据结构
- 在Java的集合框架中，List接口是一个有序的集合，允许元素有重复。
- List接口继承了Collection接口，提供了许多额外的功能，比如基于索引的插入、删除和访问元素等。
- 常见的List接口的实现类有ArrayList、LinkedList和Vector。
List接口的实现类
- ArrayList
  - 底层基于数组实现，查询效率高，增删效率低（因为需要移动元素）。
  - 线程不安全，但性能较高。
  - 适用于需要频繁查询的场景。
- LinkedList
  - 底层基于双向链表实现，查询效率低（需要从头或尾遍历），增删效率高。
  - 提供了额外的头尾操作方法，如addFirst(), addLast(), getFirst(), getLast(), removeFirst(), removeLast()等。
  - 线程不安全。
  - 适用于需要频繁增删的场景，尤其是首尾操作。
List接口的主要方法
- void add(int index, E element): 在指定位置插入元素。
- E get(int index): 返回指定位置的元素。
- int indexOf(Object o): 返回此列表中指定元素的首次出现的索引，如果此列表不包含该元素，则返回-1。
- int lastIndexOf(Object o): 返回此列表中指定元素的最后一次出现的索引，如果此列表不包含该元素，则返回-1。
- E remove(int index): 移除指定位置的元素。
- boolean contains(Object o): 如果此列表包含指定的元素，则返回true。
- Iterator<E> iterator(): 返回在此列表中的元素上进行迭代的迭代器

例：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class ListDemo {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();

        list.add("a");
        list.add("b");
        list.add("c");

        System.out.println(list.get(1));

        list.add("d");

        for (String fruit : list) {
            System.out.println(fruit);
        }

        list.remove(2);

        for (String str : list) {
            System.out.println(str);
        }
    }
}

使用注意事项
- 使用List集合时，要注意索引越界的问题，即不要访问或操作不存在的索引位置。
- 在多线程环境下，如果需要对List进行并发操作，需要考虑线程安全的问题，可以选择使用线程安全的实现类。
- 根据实际需求选择合适的List实现类，获得更好的性能

Java进阶核心之哈希表和Map

什么是散列表（Hash table，也叫哈希表）
- 是根据关键码值(Key value)而直接进行访问的数据结构。
- 它通过把关键码值映射到表中一个位置来访问记录，以加快查找的速度 。
- 这个映射函数叫做散列函数，存放记录的数组叫做散列表。
  - 给定表M，存在函数f(key)，对任意给定的关键字值key，代入函数后若能得到包含该关键字的记录在表中的地址
  - 则称表M为哈希(Hash）表，函数f(key)为哈希(Hash) 函数
- 散列函数能使对一个数据序列的访问过程更加迅速有效，通过散列函数，数据元素将被更快地定位
什么是Map
- 在Java的集合框架中，Map接口是一种存储键值对（key-value pair）的数据结构。
- Map不允许出现重复的键（key），但允许多个键映射到相同的值（value）。
- Map接口并不继承自Collection接口，而是与Collection接口并行存在，用于处理键值对映射数据。
- 常见的Map接口实现类有HashMap、LinkedHashMap、TreeMap等。
Map接口的实现类
- HashMap
  - 基于哈希表实现，允许null键和null值。
  - 不保证映射的顺序，特别是它不保证该顺序恒久不变。
  - 性能通常优于Hashtable和TreeMap。
- LinkedHashMap
  - 类似于HashMap，但遍历顺序是按照键值对插入到映射中的顺序（插入顺序）或最近最少使用（LRU）顺序。
  - 提供了按访问顺序（访问顺序）或插入顺序（插入顺序）遍历映射的方法。
- TreeMap
  - 基于红黑树实现，能够按照键的自然顺序或自定义顺序进行排序。
  - 所有的元素都根据键的自然顺序（或创建TreeMap时提供的Comparator进行排序）。
  - 适用于需要有序遍历的场景。
Map接口的主要方法
- V put(K key, V value): 将指定的值与此映射中的指定键关联（可选操作）。如果包含一个该键的映射关系，则旧值被替换。
- V get(Object key): 返回指定键所映射的值；如果此映射不包含该键的映射关系，则返回null。
- V remove(Object key): 如果存在一个键的映射关系，则从此映射中移除它（可选操作）。
- boolean containsKey(Object key): 如果此映射包含指定键的映射关系，则返回true。
- boolean containsValue(Object value): 如果此映射将一个或多个键映射到指定值，则返回true。
- int size(): 返回此映射中的键-值映射关系的数量。
- boolean isEmpty(): 如果此映射不包含键-值映射关系，则返回true。
- Set<K> keySet(): 返回此映射中包含的键的Set视图。
- Collection<V> values(): 返回此映射中包含的值的Collection视图。
- Set<Map.Entry<K,V>> entrySet(): 返回此映射中包含的映射关系的Set视图。

例：

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class MapDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Map<String, Integer> map = new HashMap<>();

        map.put("a", 1);
        map.put("b", 2);
        map.put("c", 3);

        System.out.println(map.get("a"));

        // 遍历键
        for (String key : map.keySet()) {
            System.out.println(key);
        }

        // 遍历值
        for (Integer value : map.values()) {
            System.out.println(value);
        }

        // 遍历键值对
        for (Map.Entry<String, Integer> entry : map.entrySet()) {
            System.out.println(entry.getKey() + "：" + entry.getValue());
        }

        map.remove("c");

        for (Map.Entry<String, Integer> entry : map.entrySet()) {
            System.out.println(entry.getKey() + "：" + entry.getValue());
        }
    }
}

注意事项
- 在使用Map时，要注意键的唯一性，不要试图插入重复的键。
- 如果需要在多线程环境下使用Map，需要考虑线程安全的问题。

第5集 Java进阶核心之集合框架Set

什么是Set
- 在Java的集合框架中，Set接口是一个不包含重复元素的集合。
- 它继承自Collection接口，包含了Collection接口的所有方法，如add(), remove(), contains(), size(), isEmpty()等
- Set集合主要用于存储无序且不重复的元素，不保证集合中元素的顺序，某些Set实现类可能会对元素进行排序）
Set接口的实现类
- HashSet
  - 基于哈希表实现，不保证元素的迭代顺序，也不保证元素的顺序在长时间内保持不变。
  - 性能通常优于其他Set实现类，因为它提供了常数时间的添加、删除和查找操作。
- LinkedHashSet
  - 类似于HashSet，但迭代顺序是元素插入到集合中的顺序（插入顺序）。
  - 在需要保持元素插入顺序的场景中很有用。
- TreeSet
  - 基于红黑树实现，能够对元素进行自然排序或根据创建TreeSet时提供的Comparator进行排序。
  - 适用于需要有序集合的场景。
Set接口的主要方法
- boolean add(E e): 如果此集合尚未包含指定元素，则添加指定元素。
- boolean addAll(Collection<? extends E> c): 如果指定集合中的所有元素都尚未添加到此集合中
- boolean contains(Object o): 如果此集合包含指定的元素，则返回true。
- boolean containsAll(Collection<?> c): 如果此集合包含指定集合中的所有元素，则返回true。
- boolean removeAll(Collection<?> c): 移除此集合中那些也包含在指定集合中的所有元素（可选操作）。
- boolean retainAll(Collection<?> c): 仅保留此集合中也包含在指定集合中的元素（可选操作）。

例：

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

public class SetDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Set<String> set = new HashSet();

        set.add("a");
        set.add("b");
        set.add("c");

        for (String str : set) {
            System.out.println(str);
        }

        System.out.println(set.contains("a"));

        set.remove("c");

        for (String str : set) {
            System.out.println(str);
        }
    }
}

注意事项
- 在使用Set集合时，要注意集合中元素的唯一性，不要添加重复的元素。
- 如果需要在集合中保持元素的插入顺序或进行排序，请选择适当的Set实现类（如LinkedHashSet或TreeSet）。
- 在多线程环境下使用Set集合时，需要考虑线程安全的问题。
- 如果需要线程安全的Set集合，可以使用Collections.synchronizedSet()方法

Java集合框架遍历之迭代器Iterator

需求
- 容器里面很多元素，如果需要遍历里面的元素，应该怎么操作？
- 使用循环遍历集合：普通for循环和增强for循环
迭代器 Iterator 概述
- Iterator是java中的一个接口，核心作用就是用来遍历容器的元素
- 当容器实现了Iterator接口后，可以通过调用Iterator()方法获取一个 Iterator对象
- 迭代器本身并不属于集合结构的一部分，而是用于遍历集合的工具。
- 为啥是调用容器里面的Iterator方法呢？
  - 因为容器的实现有多种，不同的容器遍历规则不一样，比如ArrayList/LinkedList/HashSet/TreeSet等，
  - 能够顺序地访问一个集合（Collection）的元素，而又不需要知道该集合的底层表示。
  - 所以设计了Iterator接口，让容器本身去实现这个接口，实现里面的方法，
  - 从而让开发人员不用关系容器的遍历机制，直接使用对应的方法即可
- 三个核心方法
  - boolean hashNext() ：用于判断iterator内是否有下个元素，如果有则返回true，没有则false
  - Obejct next()：返回iterator的下一个元素，同时指针也会向后移动1位
  - void remove()：删除指针的上一个元素（容易出问题，删除元素不建议使用容器自己的方法）
使用迭代器的步骤
- 获取迭代器对象
  - 通过调用集合的iterator()方法，我们可以获取到该集合的迭代器对象。
  - ElementType 是集合中元素的类型，collection 是需要遍历的集合对象。
- 判断迭代器中是否还有元素：
  - 使用iterator.hasNext()方法来判断迭代器中是否还有下一个元素
- 访问集合中的元素：
  - 使用iterator.next()方法来获取迭代器中的下一个元素。
  - 在调用next()方法之前，必须确保迭代器中还有元素，否则会抛出NoSuchElementException异常
- 安全地遍历集合：
  - 在遍历集合的过程中，如果需要删除某个元素，应该使用迭代器的remove()方法，而不是集合的remove()方法
  - 直接使用集合的remove()方法会导致在并发修改集合的情况下抛出ConcurrentModificationException异常。

例：

import java.util.ArrayList;
import java.util.Iterator;
import java.util.List;

public class IteratorDemo {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        list.add("a");
        list.add("b");
        list.add("c");

        Iterator<String> iterator = list.iterator();

        while (iterator.hasNext()) {
            String next = iterator.next();
            System.out.println(next);

            if (next.equals("c")) {
                iterator.remove();
            }
        }

        for (String str : list) {
            System.out.println(str);
        }
    }
}

注意事项
- 迭代器遍历集合时，只能单向遍历，无法从后往前遍历。
- 如果在遍历过程中需要修改集合（如删除元素），应该使用迭代器的remove()方法，而不是集合的remove()方法。
- 不同循环找元素方式选择，最终看使用场景，性能会有轻微差别，但是可以忽略