（三）【Java程序员必背知识点】JAVA 集合

迷南。 2023-09-29 15:37 21阅读 0赞

#### 目录 ####

*  3. JAVA 集合
 *   *  3.1. 接口继承关系和实现
     *  3.2. List
     *   *  3.2.1. ArrayList （数组）
         *  3.2.2. Vector （ 数组实现、 线程同步）
         *  3.2.3. LinkList （链表）
     *  3.3. Set
     *   *   *  3.3.1.1. HashSet （Hash 表 ）
             *  3.3.1.2. TreeSet （二叉树）
             *  3.3.1.3. LinkHashSet （ HashSet+LinkedHashMap ）
     *  3.4. Map
     *   *  3.4.1. HashMap （数组+ 链表+ 红黑树）
         *   *  3.4.1.1. JAVA7
             *  3.4.1.2. JAVA8 实现
         *  3.4.2. ConcurrentHashMap
         *   *  3.4.2.1. Segment 段
             *  3.4.2.2. 线程安全（Segment 继承 ReentrantLock 加锁 ）
             *  3.4.2.3. 并行度（默认 16 ）
             *  3.4.2.4. Java8 实现 （引入了红黑树）
         *  3.4.3. HashTable （线程安全）
         *  3.4.4. TreeMap （可排序）
         *  3.4.5. LinkHashMap （记录插入顺序）

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## 3. JAVA 集合 ##

### 3.1. 接口继承关系和实现 ###

集合类存放于 Java.util 包中，主要有 3 种：set(集）、list(列表包含 Queue）和 map(映射)。

1.  Collection：Collection 是集合 List、Set、Queue 的最基本的接口。
2.  Iterator：迭代器，可以通过迭代器遍历集合中的数据
3.  Map：是映射表的基础接口  
    ![在这里插入图片描述][83c1189effbe4fde914ca783f3c79b7a.png]  
    ![在这里插入图片描述][3fd804a5d45f4fbbbbb354418a98a8b1.png]

### 3.2. List ###

Java 的 List 是非常常用的数据类型。List 是有序的 Collection。Java List 一共三个实现类：  
分别是 ArrayList、Vector 和 LinkedList。  
![在这里插入图片描述][9c4df59d1fd949acb11af9e2974d9959.png]

#### 3.2.1. ArrayList （数组） ####

ArrayList 是最常用的 List 实现类，内部是通过数组实现的，它允许对元素进行快速随机访问。数  
组的缺点是每个元素之间不能有间隔，当数组大小不满足时需要增加存储能力，就要将已经有数  
组的数据复制到新的存储空间中。当从 ArrayList 的中间位置插入或者删除元素时，需要对数组进  
行复制、移动、代价比较高。因此，它适合随机查找和遍历，不适合插入和删除。

#### 3.2.2. Vector （ 数组实现、 线程同步） ####

Vector 与 ArrayList 一样，也是通过数组实现的，不同的是它支持线程的同步，即某一时刻只有一  
个线程能够写 Vector，避免多线程同时写而引起的不一致性，但实现同步需要很高的花费，因此，  
访问它比访问 ArrayList 慢。

#### 3.2.3. LinkList （链表） ####

LinkedList 是用链表结构存储数据的，很适合数据的动态插入和删除，随机访问和遍历速度比较  
慢。另外，他还提供了 List 接口中没有定义的方法，专门用于操作表头和表尾元素，可以当作堆  
栈、队列和双向队列使用。

### 3.3. Set ###

Set 注重独一无二的性质,该体系集合用于存储无序(存入和取出的顺序不一定相同)元素，值不能重  
复。对象的相等性本质是对象 hashCode 值（java 是依据对象的内存地址计算出的此序号）判断  
的，如果想要让两个不同的对象视为相等的，就必须覆盖 Object 的 hashCode 方法和 equals 方  
法。  
![在这里插入图片描述][e3e849c58016455e902870f92f24eae7.png]

##### 3.3.1.1. HashSet （Hash 表 ） #####

哈希表边存放的是哈希值。HashSet 存储元素的顺序并不是按照存入时的顺序（和 List 显然不  
同） 而是按照哈希值来存的所以取数据也是按照哈希值取得。元素的哈希值是通过元素的  
hashcode 方法来获取的, HashSet 首先判断两个元素的哈希值，如果哈希值一样，接着会比较  
equals 方法 如果 equls 结果为 true ，HashSet 就视为同一个元素。如果 equals 为 false 就不是  
同一个元素。

哈希值相同 equals 为 false 的元素是怎么存储呢,就是在同样的哈希值下顺延（可以认为哈希值相  
同的元素放在一个哈希桶中）。也就是哈希一样的存一列。如图 1 表示 hashCode 值不相同的情  
况；图 2 表示 hashCode 值相同，但 equals 不相同的情况。  
![在这里插入图片描述][1537023416e04083a6ea452cddea5d41.png]  
HashSet 通过 hashCode 值来确定元素在内存中的位置。一个 hashCode 位置上可以存放多个元  
素。

##### 3.3.1.2. TreeSet （二叉树） #####

1.  TreeSet()是使用二叉树的原理对新 add()的对象按照指定的顺序排序（升序、降序），每增  
    加一个对象都会进行排序，将对象插入的二叉树指定的位置。
2.  Integer 和 String 对象都可以进行默认的 TreeSet 排序，而自定义类的对象是不可以的，自  
    己定义的类必须实现 Comparable 接口，并且覆写相应的 compareTo()函数，才可以正常使  
    用。
3.  在覆写 compare()函数时，要返回相应的值才能使 TreeSet 按照一定的规则来排序
4.  比较此对象与指定对象的顺序。如果该对象小于、等于或大于指定对象，则分别返回负整  
    数、零或正整数。

##### 3.3.1.3. LinkHashSet （ HashSet+LinkedHashMap ） #####

对于 LinkedHashSet 而言，它继承与 HashSet、又基于 LinkedHashMap 来实现的。  
LinkedHashSet 底层使用 LinkedHashMap 来保存所有元素，它继承与 HashSet，其所有的方法  
操作上又与 HashSet 相同，因此 LinkedHashSet 的实现上非常简单，只提供了四个构造方法，并  
通过传递一个标识参数，调用父类的构造器，底层构造一个 LinkedHashMap 来实现，在相关操  
作上与父类 HashSet 的操作相同，直接调用父类 HashSet 的方法即可。

### 3.4. Map ###

![在这里插入图片描述][94bde9e582e54984b9559d4ceedc5431.png]

#### 3.4.1. HashMap （数组+ 链表+ 红黑树） ####

HashMap 根据键的 hashCode 值存储数据，大多数情况下可以直接定位到它的值，因而具有很快  
的访问速度，但遍历顺序却是不确定的。 HashMap 最多只允许一条记录的键为 null，允许多条记  
录的值为 null。HashMap 非线程安全，即任一时刻可以有多个线程同时写 HashMap，可能会导  
致数据的不一致。如果需要满足线程安全，可以用 Collections 的 synchronizedMap 方法使  
HashMap 具有线程安全的能力，或者使用 ConcurrentHashMap。我们用下面这张图来介绍  
HashMap 的结构。

##### 3.4.1.1. JAVA7 #####

![在这里插入图片描述][e4ef634a3c6444bb8400fa8b3d890978.png]  
大方向上，HashMap 里面是一个数组，然后数组中每个元素是一个单向链表。上图中，每个绿色  
的实体是嵌套类 Entry 的实例，Entry 包含四个属性：key, value, hash 值和用于单向链表的 next。

1.  capacity：当前数组容量，始终保持 2^n，可以扩容，扩容后数组大小为当前的 2 倍。
2.  loadFactor：负载因子，默认为 0.75。
3.  threshold：扩容的阈值，等于 capacity \* loadFactor

##### 3.4.1.2. JAVA8 实现 #####

Java8 对 HashMap 进行了一些修改，最大的不同就是利用了红黑树，所以其由 数组+链表+红黑  
树 组成。  
根据 Java7 HashMap 的介绍，我们知道，查找的时候，根据 hash 值我们能够快速定位到数组的  
具体下标，但是之后的话，需要顺着链表一个个比较下去才能找到我们需要的，时间复杂度取决  
于链表的长度，为 O(n)。为了降低这部分的开销，在 Java8 中，当链表中的元素超过了 8 个以后，  
会将链表转换为红黑树，在这些位置进行查找的时候可以降低时间复杂度为 O(logN)。  
![在这里插入图片描述][2daee72d8c41451ea63e89bc677d2985.png]

#### 3.4.2. ConcurrentHashMap ####

##### 3.4.2.1. Segment 段 #####

ConcurrentHashMap 和 HashMap 思路是差不多的，但是因为它支持并发操作，所以要复杂一  
些。整个 ConcurrentHashMap 由一个个 Segment 组成，Segment 代表”部分“或”一段“的  
意思，所以很多地方都会将其描述为分段锁。注意，行文中，我很多地方用了“槽”来代表一个  
segment。

##### 3.4.2.2. 线程安全（Segment 继承 ReentrantLock 加锁 ） #####

简单理解就是，ConcurrentHashMap 是一个 Segment 数组，Segment 通过继承  
ReentrantLock 来进行加锁，所以每次需要加锁的操作锁住的是一个 segment，这样只要保证每  
个 Segment 是线程安全的，也就实现了全局的线程安全。  
![在这里插入图片描述][eb8c1aff59b9450f9810a281d4bc250e.png]

##### 3.4.2.3. 并行度（默认 16 ） #####

concurrencyLevel：并行级别、并发数、Segment 数，怎么翻译不重要，理解它。默认是 16，  
也就是说 ConcurrentHashMap 有 16 个 Segments，所以理论上，这个时候，最多可以同时支  
持 16 个线程并发写，只要它们的操作分别分布在不同的 Segment 上。这个值可以在初始化的时  
候设置为其他值，但是一旦初始化以后，它是不可以扩容的。再具体到每个 Segment 内部，其实  
每个 Segment 很像之前介绍的 HashMap，不过它要保证线程安全，所以处理起来要麻烦些。

##### 3.4.2.4. Java8 实现 （引入了红黑树） #####

Java8 对 ConcurrentHashMap 进行了比较大的改动,Java8 也引入了红黑树。  
![在这里插入图片描述][0ff07aa3cd1546a48d14497118f10b81.png]

#### 3.4.3. HashTable （线程安全） ####

Hashtable 是遗留类，很多映射的常用功能与 HashMap 类似，不同的是它承自 Dictionary 类，  
并且是线程安全的，任一时间只有一个线程能写 Hashtable，并发性不如 ConcurrentHashMap，  
因为 ConcurrentHashMap 引入了分段锁。Hashtable 不建议在新代码中使用，不需要线程安全  
的场合可以用 HashMap 替换，需要线程安全的场合可以用 ConcurrentHashMap 替换。

#### 3.4.4. TreeMap （可排序） ####

TreeMap 实现 SortedMap 接口，能够把它保存的记录根据键排序，默认是按键值的升序排序，  
也可以指定排序的比较器，当用 Iterator 遍历 TreeMap 时，得到的记录是排过序的。  
如果使用排序的映射，建议使用 TreeMap。  
在使用 TreeMap 时，key 必须实现 Comparable 接口或者在构造 TreeMap 传入自定义的  
Comparator，否则会在运行时抛出 java.lang.ClassCastException 类型的异常。  
参考：https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-lo-tree/index.html

#### 3.4.5. LinkHashMap （记录插入顺序） ####

LinkedHashMap 是 HashMap 的一个子类，保存了记录的插入顺序，在用 Iterator 遍历  
LinkedHashMap 时，先得到的记录肯定是先插入的，也可以在构造时带参数，按照访问次序排序。

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