Java学习笔记——集合类学习

有一个经典的说法：算法+数据结构 = 程序，数据结构是计算机存储、组织数据的方式。说到数据存储，首先会想到的应该是数组，不过数组存储的数据是有固定长度的，而且Java中，对数组中的数据进行增加、删除操作比较麻烦（写到此处不能不给Python点赞）。

Java的标准类库提供了一套集合框架，给出了常用的数据结构实现。在Java5引入泛型后，几乎所有的集合API更新为支持泛型的版本，具有了编译器的类型安全检查。

小知识：所谓框架就是一个类库的集合。集合框架就是一个用来表示和操作集合统一的架构，包含了实现集合的接口与类。

集合框架的接口

主要分为两类：Collection和Map。以Collection根接口的一众实现保存的是单值数据，而以Map为根接口的一众实现保存的是键值（key-value）对数据。主要用到的有List、Set、Queue、Map，这四个接口的作用如下：

List：一个有序的集合，可以包含重复的元素，提供了按索引访问的方式。

Set：不能包含重复的元素。SortedSet是一个按照升序排列元素的Set。

Queue：定义了队列操作。队列是一种先进先出（FIFO）的数据结构。

Map：包含了key-value对。Map不能包含重复的key。SortedMap是一个按照升序排列key的Map。

1、实现List接口的两个实现：ArrayList和LinkedList

Collection类型的集合可以分为List、Set、Map三大类，要构建一个Collection接口对象，会选择三类接口中的某个实现来构建。例如ArrayList是一个常用的集合类，它实现了List接口，创建一个有序的集合。

import java.util.*;public class Test {public static void main(String[] args) {List<Integer> list = new ArrayList<>();for (int i=0;i<10;i++) {list.add(i);}for (Integer val : list) {System.out.print(val + "  ");}}
}

在向Collection类型的对象中添加元素时，可以使用add方法，如上代码向类型是ArrayList的list变量（Collection类型）增加10个int类型的数据。

Java语言中的ArrayList和LinkedList都是实现了List接口的集合类，用于存储元素的列表。尽管它们都提供了类似的功能，但在内部实现和使用特性上存在显著的区别。

数据结构：ArrayList基于动态数组的数据结构，而LinkedList则是基于链表的数据结构。这导致了它们在不同操作上的效率差异。
访问和修改元素：由于ArrayList是基于数组的，因此通过索引访问和修改元素（get和set操作）的效率非常高，时间复杂度为O(1)。而LinkedList则需要从头节点开始，遍历到指定的位置，所以访问特定元素的效率相对较低。
插入和删除元素：对于在列表中间或尾部插入和删除元素的操作，LinkedList通常比ArrayList更高效。因为LinkedList只需要修改相关节点的指针，而ArrayList可能需要移动大量的元素来保持连续性。然而，在列表的开头插入或删除元素时，ArrayList的效率可能会稍高一些，因为它可以简单地移动内部数组的引用。
空间占用：ArrayList在创建时会分配一个初始容量，并会随着元素的增加而自动扩容。这个扩容操作可能会导致额外的内存分配和复制操作。而LinkedList则不需要预留空间，它只在需要时分配新的节点。
自由性：ArrayList的自由性相对较低，因为它需要预先设定一个固定大小的容量。而LinkedList则具有更高的自由性，因为它可以根据需要动态地增长和缩小。
线程安全：ArrayList和LinkedList都不是线程安全的。如果在多线程环境下使用，可能需要额外的同步措施，或者使用线程安全的集合类，如Collections.synchronizedList()或CopyOnWriteArrayList。

ArrayList类，它实现了List接口，底层实现采用了数组来保存数据，可以把它看着是能够自动增长容量的数组（数组是固定的）。

在ArrayList中有一个数组和一个计数器，当向ArrayList中添加一个元素时，这个元素会放在计数器指定的数组索引位置上。当ArrayList对象中的数组无法保存更多元素时，它会创建一个比当前数组大一些的新数组，然后把当前的数组内容复制到新数组当中。

ArrayList初始的容量是全10，在程序中应该根据要保存的元素数量估算一个容量值，并在构造ArrayList对象时指定其容量，这样可以避免操作过程中频繁地发生数组的复制（虽然是自动完成），有利于提高程序的运行效率。

对于ArrayList类来说，它内部的数组大小（列表的容量）总是会比实际存储的元素数量要大一些，ArrayList类中有一个trimToSize方法，可以将列表的容量调整为列表的当前大小。

LinkedList也是List类型的一个集合类，与ArrayList不同的是，LinkedList底层采用了双向循环链表来保存元素。

除了实现List接口外，LinkedList还是先了Deque接口（双端队列，Queue的子接口），这使得LinkedList的方法要远远多于ArrayList。

总的来说，选择ArrayList还是LinkedList主要取决于使用场景。如果需要频繁地通过索引访问元素，或者预先知道列表的大致大小，那么ArrayList可能是一个更好的选择。而如果需要频繁地在列表中间插入或删除元素，或者列表的大小会动态变化，那么LinkedList可能更适合。

2、Map类型的集合

Map类型的集合使用键值对来保存对象，这意味着在保存对象时，需要同时提供两个对象，一个作为键（key），一个作为值（value）。

创建一个Map类型的对象，可以使用任何一个实现了Map接口的类。下面代码创建了一个HashMap对象：

Map<String, Integer> myMap = new HashMap<String, Integer>();

要向Map对象中添加数据可以使用put方法，它接受两个参数，即键和值。

myMap.put("age",19);

要想获取Map对象中的某个键对应的值可以使用get方法：

myMap.get("age“）； // 返回19

如果多次为同一个键（key）设置值，那么这个键对应的值是最后一次put时保存的值。

在Java中，有多种类实现了Map接口，每个类都有其独特的特点和适用场景。以下是一些主要的Map实现类及其区别：

HashMap：
- 特点：基于哈希表实现，通过键的哈希值存储数据，提供了快速的插入和查找操作。
- 适用场景：适用于存储大量的键值对，且对性能要求较高的情况。
- 注意事项：HashMap不保证映射的顺序，即元素的迭代顺序可能与插入顺序不同。另外，HashMap不是线程安全的，如果在多线程环境下使用，需要额外的同步措施。
LinkedHashMap：
- 特点：是HashMap的子类，它维护了一个双向链表来记录插入顺序或访问顺序。
- 适用场景：当需要保持键值对的插入顺序或访问顺序时，可以使用LinkedHashMap。
- 注意事项：由于维护了链表结构，相比HashMap，LinkedHashMap的插入和查找操作可能会稍慢一些。
TreeMap：
- 特点：基于红黑树实现，可以保持键的自然顺序或自定义顺序。
- 适用场景：当需要按键的顺序遍历键值对时，可以使用TreeMap。
- 注意事项：TreeMap的插入和查找操作的时间复杂度为O(log n)，比HashMap慢，但提供了有序的键值对存储。
Hashtable：
- 特点：是古老的Map实现，与HashMap类似，但它是线程安全的。
- 适用场景：在早期的Java版本中，当需要线程安全的Map时，会使用Hashtable。但现在，更推荐使用Collections.synchronizedMap()或ConcurrentHashMap。
- 注意事项：Hashtable的键和值都不能为null，且其同步措施可能导致性能下降。
ConcurrentHashMap：
- 特点：专为并发设计，支持高并发访问，提供了比Hashtable更高的吞吐量。
- 适用场景：在多线程环境下，当需要线程安全的Map，并且要求较高的性能时，可以使用ConcurrentHashMap。
- 注意事项：ConcurrentHashMap通过分段锁技术实现了线程安全，使得多个线程可以并发地修改Map的不同部分。