Java集合汇总

Java中的集合框架是Java语言的核心部分,提供了强大的数据结构来存储和操作对象集合。集合框架位于java.util包中,主要可以分为两大类:Collection(单列集合)和Map(双列集合)。下面是对它们的总结分类:

Collection(单列集合)

  1. List(列表)

    • ArrayList:基于动态数组实现,随机访问快,插入和删除慢(尤其是列表开头)。
    • LinkedList:基于双向链表实现,插入和删除操作快,随机访问慢。
    • Vector:线程安全的动态数组实现,功能类似于ArrayList,但因同步开销大,不推荐日常使用。
    • Stack:继承自Vector,实现了后进先出(LIFO)栈的行为,但通常建议使用Deque作为栈。

以下是针对Java List集合(包括ArrayList、LinkedList、Vector、Stack)的一些基本使用方式和常用增删改查操作的汇总。请注意,尽管示例代码会以ArrayList为主,但大部分操作对于所有List实现都是通用的,除非特别说明。

增加元素

  • add(E element):在列表末尾添加一个元素。
list.add("New Element");
  • add(int index, E element):在指定位置插入元素。
list.add(0, "Inserted Element"); // 在索引0处插入

删除元素

  • remove(Object o):删除第一次出现的指定元素。
list.remove("Element to Remove");
  • remove(int index):根据索引删除元素。
list.remove(0); // 删除索引为0的元素

修改元素

  • set(int index, E element):替换指定位置的元素。
list.set(0, "Updated Element"); // 将索引0处的元素更新

查询元素

  • get(int index):返回指定位置的元素。
E element = list.get(0); // 获取索引0处的元素
  • contains(Object o):检查列表是否包含指定元素。
boolean contains = list.contains("Search Element");
  • size():返回列表中的元素数量。
int size = list.size();

遍历元素

  • 使用增强型for循环:
for (E element : list) {System.out.println(element);
}
  • 或者使用迭代器Iterator:
Iterator<E> iterator = list.iterator();
while (iterator.hasNext()) {E element = iterator.next();System.out.println(element);
}

特别注意

  • 对于Stack,除了上述通用操作外,还可以使用push(E item)pop()方法来模拟栈的“压栈”和“弹栈”操作。
  • Vector的操作方式与ArrayList相似,但由于线程安全设计,在多线程环境下无需额外的同步措施,但通常推荐使用Collections.synchronizedList(List<T> list)CopyOnWriteArrayList作为替代,以获得更好的性能。

请根据实际需求选择合适的List实现,并注意它们在并发访问时的安全性和性能差异。

  1. set集合

    • HashSet:基于哈希表实现,无序、不允许重复元素,性能依赖于哈希码的质量。
    • LinkedHashSet:基于哈希表与双向链表实现,保持插入顺序,不允许重复元素。
    • TreeSet:基于红黑树实现,自然排序或自定义比较器排序,不允许重复元素。

对于Set集合中的HashSet, LinkedHashSet, 和 TreeSet,它们的增删查操作基本一致,因为它们都遵循Set接口的规范,但各自的特性和内部实现有所不同。下面是它们共有的常用操作方法以及一些特定于实现的特性说明:

共同的增删查方法

  1. 添加元素add(E element)
    向集合中添加一个元素。如果该元素已经存在于集合中(根据对象的equals方法判断),则此操作不会改变集合,并返回false。否则,元素会被成功添加并返回true。

  2. 删除元素remove(Object o)
    从集合中移除指定的对象。如果集合中存在该元素(根据equals方法判断),则会将其移除并返回true,否则返回false。

  3. 检查元素是否存在contains(Object o)
    判断集合中是否包含指定的元素,基于对象的equals方法进行比较。

  4. 清空集合clear()
    移除集合中的所有元素。

  5. 获取集合大小size()
    返回集合中的元素数量。

特定实现的注意事项

  • HashSet

    • 无序存储,不保证插入顺序。
    • 性能最优,特别是在元素的哈希码分布良好的情况下。
    • 特有方法:无,因为HashSet主要依赖于其基础的哈希表特性。
  • LinkedHashSet

    • 除了基于哈希表实现外,还维护了一个双向链表来记录插入顺序。
    • 提供了迭代时的插入顺序保证。
    • 性能略低于HashSet,因为需要维护额外的链表结构。
  • TreeSet

    • 基于红黑树实现,自然排序或自定义比较器排序,保证元素有序。
    • 提供了丰富的排序相关操作,如first()last()higher(E e)lower(E e)等,可以方便地获取集合中的最小、最大或指定范围的元素。
    • 插入、删除和查找的时间复杂度通常是O(log n),其中n是集合中的元素数量。
    • 特有方法:可以通过构造函数传入Comparator来自定义排序逻辑。

示例代码片段

// 创建集合实例
Set<String> hashSet = new HashSet<>();
Set<String> linkedHashSet = new LinkedHashSet<>();
Set<String> treeSet = new TreeSet<>();// 添加元素
hashSet.add("Apple");
linkedHashSet.add("Banana");
treeSet.add("Cherry");// 删除元素
hashSet.remove("Apple");// 检查元素
boolean contains = treeSet.contains("Cherry");// 集合大小
int size = linkedHashSet.size();// 清空集合
treeSet.clear();

这些方法为操作Set集合的基本手段,具体选择哪种实现应根据是否需要有序性、是否关心插入顺序或是否有特定的排序需求等因素来决定。

Map(双列集合)

  • HashMap:基于哈希表实现,键值对映射,非线程安全,允许null键和null值。
  • LinkedHashMap:基于哈希表与双向链表实现,维护插入顺序或访问顺序。
  • TreeMap:基于红黑树实现,键自然排序或自定义比较器排序,键唯一。
  • Hashtable:线程安全的哈希表,较老的实现,不推荐用于新代码,已被ConcurrentHashMap取代。
  • ConcurrentHashMap:线程安全的哈希表,支持高效并发读写,优于Hashtable。

对于Map集合中的HashMap, LinkedHashMap, TreeMap, Hashtable, 和 ConcurrentHashMap,它们都遵循Map接口,提供了一套共同的操作方法来管理键值对,但也各有特色。以下是一些常见的操作方法及其特定实现的特点:

共同的增删查方法

  1. 添加/更新元素put(K key, V value)
    将指定的键值对放入此映射中。如果此映射中已存在该键的映射关系,则旧值将被替换。

  2. 获取元素get(Object key)
    根据键获取对应的值,如果键不存在则返回null。

  3. 删除元素remove(Object key)
    根据键删除对应的映射关系,如果存在则返回被删除的值。

  4. 检查键是否存在containsKey(Object key)
    判断映射中是否包含指定的键。

  5. 检查值是否存在containsValue(Object value)
    判断映射中是否包含指定的值。

  6. 清空映射clear()
    移除此映射中的所有映射关系。

  7. 获取映射大小size()
    返回此映射中的键值对数量。

特定实现的特性与操作

  • HashMap

    • 特点:非线程安全,允许null键和null值,性能较高,特别是当哈希码分布良好时。
    • 特有方法:无特别独有的方法,重点在于其非线程安全性和性能优势。
  • LinkedHashMap

    • 特点:维护了插入顺序或访问顺序(通过构造函数指定),基于HashMap实现,提供了迭代时的顺序保证。
    • 特有方法:无特定新增方法,主要是通过构造函数控制迭代顺序的特性。
  • TreeMap

    • 特点:键自然排序或自定义比较器排序,保证了键的有序性,基于红黑树实现。
    • 特有方法:提供了丰富的基于排序的操作,如firstKey()lastKey()lowerEntry(K key)higherEntry(K key)等。
  • Hashtable

    • 特点:线程安全的哈希表,较老的实现,不允许null键和null值,同步操作可能导致性能下降。
    • 特有方法:相对较少特有方法,主要是其线程安全性的实现方式已过时。
  • ConcurrentHashMap

    • 特点:线程安全,支持高效的并发读写,通过分段锁技术降低了锁的竞争,优于Hashtable。
    • 特有方法:提供了一些高级并发操作,如putIfAbsent(V value, K key)replace(K key, V oldValue, V newValue)等,这些操作在原子性上有更好的保证。

示例代码片段

// 创建映射实例
Map<String, Integer> hashMap = new HashMap<>();
Map<String, Integer> linkedHashMap = new LinkedHashMap<>(16, 0.75f, true); // 第三个参数true表示按访问顺序排序
Map<String, Integer> treeMap = new TreeMap<>(); // 自然排序
Map<String, Integer> hashtable = new Hashtable<>();
Map<String, Integer> concurrentHashMap = new ConcurrentHashMap<>();// 添加元素
hashMap.put("One", 1);// 获取元素
Integer value = hashMap.get("One");// 删除元素
hashMap.remove("One");// 检查键是否存在
boolean containsKey = hashMap.containsKey("One");// 获取映射大小
int size = hashMap.size();// 清空映射
hashMap.clear();

根据具体需求选择合适的Map实现,比如需要线程安全时考虑ConcurrentHashMap,需要维持插入顺序时选择LinkedHashMap,需要键有序时使用TreeMap

Queue(队列)

  • Queue 接口,代表一个先进先出(FIFO)的队列。
    • LinkedList:也可作为队列使用。
    • PriorityQueue:基于优先堆的无界优先队列,没有固定顺序,元素按照自然排序或比较器排序。
    • ArrayBlockingQueue:基于数组的有界阻塞队列,线程安全。
    • LinkedBlockingQueue:基于链表的可选有界阻塞队列,线程安全。
    • DelayQueue:基于优先级队列的延迟无界阻塞队列,元素只有在延迟期满后才能被获取。
    • ConcurrentLinkedQueue:基于链表的无界并发队列,线程安全,非阻塞。

对于Java中的Queue接口及其常见实现,包括LinkedList, PriorityQueue, ArrayBlockingQueue, LinkedBlockingQueue, DelayQueue, 和 ConcurrentLinkedQueue,它们作为队列的主要操作包括入队(添加元素)、出队(移除并获取元素)、查看队首元素等。下面是它们的使用方式和基本操作的汇总:

公共操作

  1. 入队(添加元素)

    • add(E element):如果队列未满,则添加元素,队满时抛出IllegalStateException
    • offer(E element):尝试加入元素,队列满时返回false,而不是抛出异常。
    • put(E element):对于阻塞队列(如ArrayBlockingQueueLinkedBlockingQueue),如果队列满,当前线程将被阻塞,直到空间可用。
  2. 出队(移除并获取元素)

    • remove() 或 poll():移除并返回队首元素,队列为空时,remove() 抛出异常,而 poll() 返回null
    • take():对于阻塞队列,如果队列为空,当前线程将被阻塞,直到有元素可用。
  3. 查看队首元素

    • element() 或 peek():返回队首元素但不移除,队列为空时,element() 抛出异常,peek() 返回null

特定实现的特性

  • LinkedList

    • 作为动态数组实现的List,也可以当作FIFO队列使用,但不支持阻塞操作。
    • 常用操作:直接调用addLast(E element)入队,removeFirst()pollFirst()出队。
  • PriorityQueue

    • 基于优先堆的无界优先队列,保证最高优先级的元素先出队。
    • 特有操作:无特定的队列操作,但其排序特性(基于自然排序或Comparator)是其特色。
  • ArrayBlockingQueue

    • 固定大小的阻塞队列,线程安全。
    • 特有操作:支持公平策略和非公平策略的阻塞控制。
  • LinkedBlockingQueue

    • 可选固定大小的阻塞队列,基于链表实现,线程安全。
    • 特有操作:默认无界(除非构造时指定了容量),提供了阻塞和非阻塞的put/take操作。
  • DelayQueue

    • 基于优先级队列的无界阻塞队列,元素需实现Delayed接口,只有延迟到期的元素才可被消费。
    • 特有操作:入队元素需实现getDelay()方法,以确定其到期时间。
  • ConcurrentLinkedQueue

    • 无界的并发队列,基于链表实现,线程安全,非阻塞。
    • 特有操作:专门设计用于高并发场景,无需锁定,采用CAS操作保证线程安全。

示例代码片段

Queue<String> queue;// 使用LinkedList作为队列
queue = new LinkedList<>();
queue.offer("A");
queue.poll();// 使用PriorityQueue
queue = new PriorityQueue<>();
queue.offer("B");
queue.poll();// 使用ArrayBlockingQueue(阻塞队列)
queue = new ArrayBlockingQueue<>(10);
queue.put("C");
queue.take();// 使用LinkedBlockingQueue
queue = new LinkedBlockingQueue<>();
queue.put("D");
queue.take();// 使用DelayQueue
queue = new DelayQueue<>();
queue.put(new DelayedElement("Delayed E"));
queue.take();// 使用ConcurrentLinkedQueue
queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();
queue.offer("F");
queue.poll();

请注意,使用DelayQueue时,元素必须实现Delayed接口,并重写getDelay()方法和compareTo()方法。

Deque(双端队列)

  • Deque 接口,扩展了Queue,允许两端进行插入和删除操作。
    • ArrayDeque:基于可调整大小的数组实现,可作为栈或队列使用,非线程安全。
    • LinkedList:同样实现了Deque接口,提供了双端队列的功能。

对于Java中的Deque接口及其两个主要实现类ArrayDequeLinkedList,它们提供了丰富的双端队列操作,支持在队列的头部和尾部进行高效的插入和删除。以下是它们的使用方式和常用操作的汇总:

公共操作(适用于ArrayDeque和LinkedList)

  1. 在前端操作

    • 插入addFirst(E element) / offerFirst(E element) 在队列头部添加元素。
    • 移除removeFirst() / pollFirst() 移除并返回队列头部的元素;如果队列为空,removeFirst()会抛出异常,而pollFirst()返回null。
    • 查看getFirst() / peekFirst() 查看队列头部的元素但不移除;如果队列为空,getFirst()抛出异常,peekFirst()返回null。
  2. 在后端操作

    • 插入addLast(E element) / offerLast(E element) 在队列尾部添加元素。
    • 移除removeLast() / pollLast() 移除并返回队列尾部的元素;如果队列为空,removeLast()抛出异常,pollLast()返回null。
    • 查看getLast() / peekLast() 查看队列尾部的元素但不移除;如果队列为空,getLast()抛出异常,peekLast()返回null。
  3. 其他通用操作

    • 大小查询size() 返回队列中元素的数量。
    • 是否为空isEmpty() 判断队列是否为空。

实现类特性

  • ArrayDeque

    • 特点:基于可调整大小的环形数组实现,提供了非常高的访问和修改性能,特别是对于随机访问和循环迭代。非线程安全,适用于不需要线程同步的高性能场景。
    • 优势:在大多数场景下,由于其底层数据结构的优化,性能优于LinkedList
  • LinkedList

    • 特点:基于双向链表实现,既是List也是Deque,因此支持更多的操作,如索引访问等。适合于需要频繁进行插入和删除操作的场景,尤其是当这些操作发生在集合中间时。非线程安全。
    • 优势:对于插入、删除操作,尤其是在链表中间的操作,表现优秀,但随机访问性能不如ArrayDeque

示例代码片段

Deque<String> deque;// 使用ArrayDeque
deque = new ArrayDeque<>();
deque.addFirst("Front");
deque.addLast("Back");
String first = deque.peekFirst(); // 查看队首元素
deque.pollLast(); // 移除并返回队尾元素// 使用LinkedList作为Deque
deque = new LinkedList<>();
deque.offerFirst("Front");
deque.offerLast("Back");
String last = deque.peekLast(); // 查看队尾元素
deque.pollFirst(); // 移除并返回队首元素

根据具体需求选择合适的数据结构:对于追求性能和简单操作的场景,ArrayDeque可能是更好的选择;而对于需要更多灵活性和链表特性的操作,LinkedList会更加适用。

以上是Java集合框架的主要组成部分,它们为处理和操作集合提供了高度灵活和强大的工具。选择合适的集合类型取决于具体的应用场景,如是否需要线程安全、是否关心元素的顺序、是否需要排序等。

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