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java集合框架的详细学习

时间：2024-12-18 23:56:16浏览次数：9  
标签：java 框架 队列 元素 接口 线程 数组 集合

 集合框架和数组的区别

为什么引入集合概念

使用数组具有局限性：是一种固定大小的数据结构，其元素类型和数量在创建时就已经确定，并且无法更改，不使用就浪费了。

为了解决数组的局限性，引入容器类的概念。容器可以根据需要动态地增加或减少元素。此外，集合框架还提供了丰富的操作方法，如添加、删除、查找、排序等，使得操作数据更加便捷。

区别：

1.存储方式

  • 数组：数组是一种固定大小的数据结构，其元素类型和数量在创建时就已经确定，并且无法更改。数组通过索引来访问元素，索引从0开始，直到数组长度减1。

  • 集合框架：集合框架提供了多种数据结构，如列表（List）、集合（Set）、映射（Map）等，这些数据结构可以根据需要动态地改变大小。集合框架中的容器类可以存储不同类型的对象，并通过迭代器（Iterator）或增强的for循环进行遍历。

2. 灵活性

  • 数组：数组的灵活性较差，一旦创建，其大小就不能改变。如果需要存储更多元素，必须创建一个新的数组，并将旧数组的元素复制到新数组中。

  • 集合框架：集合框架提供了多种灵活的容器类，这些容器类可以根据需要动态地增加或减少元素。此外，集合框架还提供了丰富的操作方法，如添加、删除、查找、排序等，使得操作数据更加便捷。

3. 数据类型

  • 数组：数组中的元素类型必须相同，这是由数组在创建时指定的数据类型决定的。

  • 集合框架：集合框架中的容器类可以存储不同类型的对象，甚至可以是空对象（null）。此外，集合框架还提供了泛型支持，可以在创建容器时指定元素类型，从而避免类型转换错误。

4. 内存管理

  • 数组：数组是静态分配的，即在创建时就分配了固定大小的内存空间。如果数组过大，会浪费内存资源；如果数组过小，则无法满足存储需求。

  • 集合框架：集合框架中的容器类通常是动态分配的，即根据实际需要动态地分配内存空间。这样可以更有效地利用内存资源，避免内存浪费。

5. 迭代方式

  • 数组：数组的迭代通常使用传统的for循环或增强的for循环（foreach）。

  • 集合框架：集合框架提供了迭代器（Iterator）接口和增强的for循环（foreach）来遍历容器中的元素。迭代器提供了一种统一的方式来遍历不同类型的集合容器，而增强的for循环则提供了一种更简洁的语法来遍历集合容器中的元素。

6. 线程安全性

  • 数组：数组本身是线程不安全的，即多个线程可以同时访问和修改同一个数组的元素，这可能导致数据不一致的问题。

  • 集合框架：集合框架中的部分容器类（如Vector、Hashtable等）是线程安全的，它们内部使用了同步机制来确保线程安全。然而，大多数容器类（如ArrayList、HashMap等）并不是线程安全的。如果需要线程安全的集合容器，可以使用Collections类中的静态方法将非线程安全的容器类包装成线程安全的容器类，或者使用Java并发包（java.util.concurrent）中的并发集合类。

JAVA集合框架图

（为方便理解，下图转载自菜鸟教程，地址是：Java 集合框架 | 菜鸟教程）

集合遍历的主要方法：

  • 用for循环遍历
  • 迭代器遍历
  • 用增强型for循环

for循环遍历

 List<String> list = new ArrayList<>();
        list.add("Apple");
        list.add("Banana");
        list.add("Cherry");
 
        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            System.out.println(list.get(i));
        }

迭代器遍历

 Set<String> set = new HashSet<>();
        set.add("X");
        set.add("Y");
        set.add("Z");
 
        Iterator<String> setIterator = set.iterator();
        while (setIterator.hasNext()) {
            System.out.println(setIterator.next());
        }

增强型for循环

List<String> list = new ArrayList<>();
        list.add("Apple");
        list.add("Banana");
        list.add("Cherry");
 
        for (String item : list) {
            System.out.println(item);
        }

1.Collection接口

  • Collection接口继承自Iterable接口
  • Collection：这是集合框架的根接口，提供了集合的基本操作，如添加、删除、遍历等。这个接口本身并不直接实现任何功能，而是由它的子接口（如List、Set和Queue）来提供具体的实现。同时也是Deque的接口，但是Deque不是Collection的直接子接口，Deque是Queue的直接子接口。
  • 不能直接实例化Collection接口，而是需要使用它的实现类，如ArrayList、LinkedList、HashSet等

接口主要方法：

  • boolean add(E e)：向集合中添加一个元素。如果集合因为调用而发生变化（即该元素尚未存在于集合中），则返回true。
  • boolean remove(Object o)：从集合中移除一个指定的元素。如果集合包含指定的元素，则移除它并返回true。
  • boolean contains(Object o)：检查集合是否包含指定的元素。
  • int size()：返回集合中的元素数量。
  • boolean isEmpty()：检查集合是否为空。
  • Iterator<E> iterator()：返回一个迭代器，用于遍历集合中的元素。
  • Object[] toArray()：返回一个包含集合中所有元素的数组。
  • <T> T[] toArray(T[] a)：返回一个包含集合中所有元素的数组，其运行时类型与指定数组的类型相同（如果数组足够大以容纳集合中的所有元素；否则，返回一个具有指定类型的新数组，其长度为集合的大小）。
  • boolean containsAll(Collection<?> c)：检查集合是否包含指定集合中的所有元素。
  • boolean addAll(Collection<? extends E> c)：将指定集合中的所有元素添加到该集合中（可选操作）。
  • boolean removeAll(Collection<?> c)：从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)：仅保留集合中包含在指定集合中的元素（可选操作）。
  • void clear()：从集合中移除所有元素（可选操作）。

 2.List接口

这是Collection接口的子接口，代表一个有序、可重复的集合。List集合中的每个元素都有其对应的顺序索引，因此可以通过索引来访问元素。

接口的实现类：

1.ArrayList类：

基于数组实现，因此具有较快的随机访问速度。但ArrayList在添加或删除元素时可能需要移动其他元素，因此性能可能受到影响。
 

import java.util.ArrayList; // 引入 ArrayList 类

ArrayList<E> objectName =new ArrayList<>();　 // 初始化

 E: 泛型数据类型。

以下情况使用 ArrayList :

  • 频繁访问列表中的某一个元素。
  • 只需要在列表末尾进行添加和删除元素操作。

2.LinkedList类：

这也是List接口的一个实现类，但它基于链表实现。LinkedList在添加或删除元素时性能较好，因为只需要修改相邻元素的指针。但LinkedList的随机访问速度较慢。

以下情况使用 LinkedList :

  • 你需要通过循环迭代来访问列表中的某些元素。
  • 需要频繁的在列表开头、中间、末尾等位置进行添加和删除元素操作。

LinkedList 实现了 Queue 接口，可作为队列使用。

LinkedList 实现了 List 接口，可进行列表的相关操作。

LinkedList 实现了 Deque 接口，可作为队列使用。

LinkedList 实现了 Cloneable 接口，可实现克隆。

3.Set接口

这也是Collection接口的子接口，但Set集合中的元素是无序的，且不允许重复。Set接口主要用于判重和去重操作。不能通过get方法得到index（下标）。

 接口的实现类：

1.HashSet类：

  • 这是Set接口的一个实现类，它基于哈希表实现。HashSet提供了较快的查找和添加速度，但不保证元素的顺序。HashSet允许存储null值。
  • HashSet 是无序的，即不会记录插入的顺序。
  • HashSet 不是线程安全的， 如果多个线程尝试同时修改 HashSet，则最终结果是不确定的。 您必须在多线程访问时显式同步对 HashSet 的并发访问。
  • HashSet 中的元素实际上是对象，一些常见的基本类型可以使用它的包装类。

import java.util.HashSet; // 引入 HashSet 类
HashSet<String> sites = new HashSet<String>();

2.LinkedHashSet类：

主要特性：
  • 有序性：LinkedHashSet 维护元素的插入顺序。
  • 唯一性：像 HashSet 一样，LinkedHashSet 不允许有重复元素。
  • 性能：由于底层使用了哈希表（HashMap），LinkedHashSet 提供了接近 O(1) 的时间复杂度来进行查找、插入和删除操作。
  • 迭代器：LinkedHashSet 的迭代器按照元素的插入顺序返回元素。
  • 非同步：LinkedHashSet 不是线程安全的，如果在多线程环境中使用，需要额外的同步机制。
使用场景：
  • 需要维护元素插入顺序的集合。
  • 需要快速查找、插入和删除操作的集合。

3.TreeSet类：

这是SortedSet接口的实现类，它基于红黑树实现。TreeSet可以保证元素处于排序状态，支持自然排序和定制排序。但TreeSet的添加、删除和查找操作的时间复杂度为O(logN)。

主要特性：
  1. 排序：TreeSet 维护元素的自然顺序（或者通过提供的比较器排序）。
  2. 唯一性：TreeSet 不允许有重复元素。
  3. 性能：TreeSet 的查找、插入和删除操作的时间复杂度通常是 O(log n)，因为它基于红黑树实现。
  4. 迭代器：TreeSet 的迭代器按照元素的排序顺序返回元素。
  5. 非同步：TreeSet 不是线程安全的，如果在多线程环境中使用，需要额外的同步机制。
使用场景
  • 需要对集合中的元素进行排序的集合。
  • 需要快速查找、插入和删除操作的集合，同时这些操作需要保持元素的排序顺序。

 

4.Map接口

Map不是Collection的子接口，但它是Java集合框架中另一个重要的接口。Map接口用于存储键值对（key-value pairs），其中每个键都是唯一的，并且映射到一个值上。Map接口提供了对键值对的添加、删除、查找等操作。

  接口的实现类：

 1.HashMap：

主要特性：
  • HashMap 是一个散列表，它存储的内容是键值对(key-value)映射。
  • HashMap 实现了 Map 接口，根据键的 HashCode 值存储数据，具有很快的访问速度，最多允许一条记录的键为 null，不支持线程同步。
  • HashMap 是无序的，即不会记录插入的顺序。

HashMap 中的元素实际上是对象，一些常见的基本类型可以使用它的包装类。这点和HashSet类似。

2.LinkedHashMap：

主要特性：
  • LinkedHashMap是HashMap的一个子类，它维护了一个双向链表来记录插入顺序或访问顺序。
  • 如果指定为访问顺序，则每次调用get方法后，该键值对会被移动到链表的末尾（这是“最近最少使用”（LRU）缓存策略的基础）。它同样允许一个null键和多个null值。

3.TreeMap：

主要特性：

  • TreeMap是基于红黑树实现的一个有序的Map。
  • 它根据键的自然顺序进行排序，或者根据创建TreeMap时提供的Comparator进行排序。
  • TreeMap不允许null键，但允许null值。

4.ConcurrentHashMap：

主要特性：
  • ConcurrentHashMap是一个线程安全的哈希表，它允许并发的读取和一定量的并发写入。
  • 与Hashtable相比，ConcurrentHashMap提供了更高的并发性能，因为它在内部使用了分段锁（在Java 8及更高版本中，这一实现细节有所改变，但总体上仍然是高并发的）。
  • 它不允许null键和null值。

5.Queue接口

代表一个队列集合——先进先出

 常用方法：

  • add(E e)：将元素e添加到队列的尾部，如果队列已满，则抛出IllegalStateException。
  • offer(E e)：将元素e添加到队列的尾部，如果队列已满，则返回false。
  • put(E e)：将元素e添加到队列的尾部，如果队列已满，则阻塞当前线程直到队列有空间。
  • remove()：移除并返回队列头部的元素，如果队列为空，则抛出NoSuchElementException。
  • poll()：移除并返回队列头部的元素，如果队列为空，则返回null。
  • take()：移除并返回队列头部的元素，如果队列为空，则阻塞当前线程直到队列有元素。
  • element()：返回队列头部的元素但不移除它，如果队列为空，则抛出NoSuchElementException。
  • peek()：返回队列头部的元素但不移除它，如果队列为空，则返回null。

 接口的实现类：

  1. LinkedList：
    • LinkedList实现了Deque接口，而Deque是Queue的子接口，因此LinkedList也可以作为Queue使用。
    • LinkedList是一个基于链表结构的双向队列，允许在队列的两端进行插入和删除操作。
  2. PriorityQueue：
    • PriorityQueue是一个基于优先级堆的无界优先级队列。
    • 元素按照优先级顺序被移除，而不是按照它们被添加的顺序。
    • PriorityQueue不保证同优先级元素的顺序。
  3. ArrayDeque：
    • ArrayDeque是一个基于数组的双端队列。
    • 它不是线程安全的，并且性能通常比LinkedList好，特别是在作为栈或队列使用时。
  4. ConcurrentLinkedQueue：
    • ConcurrentLinkedQueue是一个基于链接节点的、线程安全的无界队列。
    • 它支持高效的并发访问，并且不需要在访问时进行同步。
  5. ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue、PriorityBlockingQueue、DelayQueue、SynchronousQueue（均为阻塞队列）：
    • 这些队列都实现了BlockingQueue接口，该接口扩展了Queue接口以支持阻塞操作。
    • 阻塞队列在尝试添加元素到已满的队列或从空队列中移除元素时，线程会被阻塞，直到操作可以成功完成。

6.Deque接口

Deque接口代表一个双端队列，它允许在队列的两端进行插入和删除操作。Deque接口继承自Queue接口，并扩展了其功能，使其能够更高效地在两端进行操作。

常用方法：

  • addFirst(E e)：在队列的开头插入元素e。
  • addLast(E e)：在队列的末尾插入元素e。
  • offerFirst(E e)：在队列的开头插入元素e，如果队列已满，则返回false（对于ArrayDeque，这永远不会发生，因为它是无界的）。
  • offerLast(E e)：在队列的末尾插入元素e，如果队列已满，则返回false（同样，对于ArrayDeque，这永远不会发生）。
  • removeFirst()：移除并返回队列的第一个元素。
  • removeLast()：移除并返回队列的最后一个元素。
  • pollFirst()：移除并返回队列的第一个元素，如果队列为空，则返回null。
  • pollLast()：移除并返回队列的最后一个元素，如果队列为空，则返回null。
  • getFirst()：获取但不移除队列的第一个元素。
  • getLast()：获取但不移除队列的最后一个元素。
  • peekFirst()：获取但不移除队列的第一个元素，如果队列为空，则返回null。
  • peekLast()：获取但不移除队列的最后一个元素，如果队列为空，则返回null。

接口的实现类：

  1. ArrayDeque：
    • ArrayDeque是一个基于数组的双端队列实现，它不是线程安全的。
    • 它提供了在队列两端进行高效插入和删除操作的能力。
    • 由于它是基于数组的，因此它避免了链表节点所需的额外内存开销，并且通常具有比LinkedList更好的性能。
  2. LinkedList：
    • 虽然LinkedList主要被看作是一个链表实现的List，但它也实现了Deque接口。
    • 这意味着LinkedList也可以作为双端队列使用，允许在队列的两端进行插入和删除操作。
    • 然而，由于LinkedList是基于链表的，它的性能可能不如ArrayDeque，特别是在需要大量随机访问的情况下。

标签：java,框架,队列,元素,接口,线程,数组,集合
From： https://blog.csdn.net/m0_69185019/article/details/144530667

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