理解Java集合的基本用法—Collection：List、Set 和 Queue，Map

本博文部分参考 博客 ，强烈推荐这篇博客，写得超级全面！！！


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Java 集合框架

主要包括两种类型的容器，一种是集合（Collection），存储一个元素集合（单列集合）；另一种是 Map ，存储键/值对映射。
Collection 接口又有 3 种子类型，List、Set 和 Queue，再下面是一些抽象类，最后是具体实现类。

  • Collection：所有单列集合的根接口。

    • List：有序、允许重复元素的集合。

    • Set：无序、不允许重复元素的集合。

    • Queue：用于存储按特定顺序处理的元素（如先进先出 FIFO）。

  • Map：映射接口（双列接口），用于存储键值对（Key-Value），提供对键值的快速查找。

在这里插入图片描述
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由于Java的集合设计非常久远，中间经历过大规模改进，我们要注意到有一小部分集合类是遗留类，不应该继续使用：

  • Hashtable：一种线程安全的Map实现；
  • Vector：一种线程安全的List实现；
  • Stack：基于Vector实现的LIFO的栈。

还有一小部分接口是遗留接口，也不应该继续使用：

  • Enumeration：已被Iterator取代。

List（有序集合，允许重复元素）

List 是一个有序的集合，元素按插入顺序排列，允许重复元素。
实现类：

  • ArrayList 基于动态数组实现，支持随机访问和快速查找，但插入和删除操作的性能较差，尤其是在中间位置操作时。
  • LinkedList 基于双向链表实现，插入和删除操作效率较高，适合频繁的插入和删除，但随机访问的性能差。
  • Vector(ArrayList是非线程安全的，效率高；Vector是基于线程安全的 List 实现，效率低 ，遗留类，通常不推荐使用) 。

ArrayList 是最常用的 List 实现类。

List<String> list = new ArrayList<>();  // 初始化空列表

List<Integer> list = new ArrayList<>(10);  //初始化容量为 10 的列表

List<Integer> list = new ArrayList<>(Arrays.asList(3, 4, 5));  //初始化带有元素 3, 4, 5 的列表

List<Integer> list = new ArrayList<>(other_list);  //用其他列表 list 初始化

常用方法：

  • boolean add(E element)：在末尾添加一个元素。
  • boolean add(int index, E element)：在指定索引添加一个元素。
  • E get(int index)：获取指定索引的元素。
  • E set(int index, E element)：设置指定位置的元素,返回先前在 index 处出现的元素。
  • boolean remove(Object o)：删除指定元素。
  • E remove(int index)：删除指定索引的元素。
  • int size()：获取集合大小。
  • boolean contains(Object o)：判断是否包含某元素。
  • int indexOf(Object o)：可以返回某个元素的索引，如果元素不存在，就返回-1。

我们来比较一下 ArrayList 和 LinkedList ：

ArrayListLinkedList
获取指定元素速度很快需要从头开始查找元素
添加元素到末尾速度很快速度很快
在指定位置添加/删除需要移动元素不需要移动元素
内存占用少较大

通常情况下，我们总是优先使用 ArrayList。

另外，我们要始终坚持使用迭代器 Iterator 来访问 List ，因为总是具有最高的访问效率。

public class Main {public static void main(String[] args) {List<String> list = List.of("apple", "pear", "banana");for (Iterator<String> it = list.iterator(); it.hasNext(); ) {String s = it.next();System.out.println(s);}}
}

Java 的 for each 循环本身可以帮我们使用 Iterator 遍历。可以把上面的代码改写成：

ublic class Main {public static void main(String[] args) {List<String> list = List.of("apple", "pear", "banana");for (String s : list) {System.out.println(s);}}
}

List 可以和 Array 相互转换：

把 List 变为 Array 有三种方法：

  1. 调用toArray()方法直接返回一个Object[]数组，这种方法会丢失类型信息，所以实际应用很少。
List<String> list = List.of("apple", "pear", "banana"); // 如果我们调用List.of()，它返回的是一个只读List
Object[] array = list.toArray();
  1. 给 toArray(T[]) 传入一个类型相同的 Array，List 内部自动把元素复制到传入的 Array 中。
List<Integer> list = List.of(12, 34, 56); //如果我们调用List.of()，它返回的是一个只读List
Integer[] array = list.toArray(new Integer[list.size()]);
  1. 通过List接口定义的T[] toArray(IntFunction<T[]> generator)方法。
Integer[] array = list.toArray(Integer[]::new);

把 Array 变为 List，通过 List.of(T…) 方法最简单：

Integer[] array = { 1, 2, 3 };
List<Integer> list = List.of(array);

总结

  • List 是按索引顺序访问的长度可变的有序表，优先使用 ArrayList 而不是 LinkedList；

  • 可以直接使用 for each 遍历 List；

  • List 可以和 Array 相互转换。

Set（无序集合，不允许重复元素）

Set 是一个不允许重复元素的集合，它不保证元素的顺序。Set 实际上相当于只存储 key、不存储 value 的 Map。我们经常用 Set 用于去除重复元素。

Set 接口并不保证有序，而 SortedSet 接口则保证元素是有序的。PS：注意输出的顺序既不是添加的顺序，也不是 String 或 Integer 排序的顺序，在不同版本的JDK中，这个顺序也可能是不同的。
实现类：

  • HashSet 基于哈希表实现，元素无序，性能较好，适合用于查找。它实现了Set接口，并没有实现SortedSet接口；
  • LinkedHashSet 基于哈希表和链表实现，元素有序（按插入顺序）。
  • TreeSet 基于红黑树实现，元素按自然顺序（或提供的 Comparator）排序。它实现了SortedSet接口。

HashSet 是 Set 接口最常用的实现

Set<String> set = new HashSet<>();

常用方法：

  • boolean add(E e)：添加元素。
  • boolean remove(Object o)：删除指定元素。
  • boolean contains(Object o)：判断是否包含某元素。
  • int size()：获取集合大小。
  • clear()：清空集合。

Queue / Deque

Queue 是一个先进先出（FIFO：First In First Out）的集合，只能一头进，另一头出。

实现类：

  • PriorityQueue：基于优先级堆实现，支持优先级排序的队列。PriorityQueue 并不是一个比较标准的队列实现，PriorityQueue 保存队列元素的顺序并不是按照加入队列的顺序，而是按照队列元素的大小进行重新排序。

  • Deque：Queue 是队列，只能一头进，另一头出。双端队列 Deque（Double Ended Queue）允许两头都进，两头都出。

    • ArrayDeque：基于数组实现，作为栈或队列使用，效率较高。

    • LinkedList：实现了 Queue 接口，适合用于队列操作。

Queue<String> queue = new LinkedList<>();

Queue

常用方法：

  • boolean add(E) / boolean offer(E)：添加元素到队尾；
  • E remove() / E poll()：获取队首元素并从队列中删除；
  • E element() / E peek()：获取队首元素但并不从队列中删除。
  • int size()：获取队列大小。

对于具体的实现类，有的Queue有最大队列长度限制，有的Queue没有。注意到添加、删除和获取队列元素总是有两个方法，这是因为在添加或获取元素失败时，这两个方法的行为是不同的：

throw Exception返回false或null
添加元素到队尾add(E e)boolean offer(E e)
取队首元素并删除E remove()E poll()
取队首元素但不删除E element()E peek()

注意：不要把 null 添加到队列中，否则 poll() 方法返回 null 时，很难确定是取到了 null 元素还是队列为空。

Deque

Deque 接口继承自 Queue 接口

Queue 和 Deque 出队和入队的方法比较：

QueueDeque
添加元素到队尾add(E e) / offer(E e)addLast(E e) / offerLast(E e)
取队首元素并删除E remove() / E poll()E removeFirst() / E pollFirst()
取队首元素但不删除E element() / E peek()E getFirst() / E peekFirst()
添加元素到队首无addFirst(E e) / offerFirst(E e)
取队尾元素并删除无E removeLast() / E pollLast()
取队尾元素但不删除无E getLast() / E peekLast()

Deque 接口实际上扩展自 Queue，因此，Queue 提供的 add()/offer() 方法在 Deque 中也可以使用，但是，使用 Deque，最好不要调用offer()，而是调用 offerLast()。即使用 Deque，推荐总是明确调用 offerLast() / offerFirst() 或者 pollFirst() / pollLast() 方法。

Deque 是一个接口，它的实现类有 ArrayDeque 和 LinkedList。

LinkedList，它即是List，又是Queue，还是Deque。但是我们在使用的时候，总是用特定的接口来引用它，这是因为持有接口说明代码的抽象层次更高，而且接口本身定义的方法代表了特定的用途。

// 不推荐的写法:
LinkedList<String> d1 = new LinkedList<>();// 推荐的写法：
Deque<String> d2 = new LinkedList<>();

可见面向抽象编程的一个原则就是：尽量持有接口，而不是具体的实现类。

总结

Deque实现了一个双端队列（Double Ended Queue），它可以：

  • 将元素添加到队尾或队首：addLast()/offerLast()/addFirst()/offerFirst()；

  • 从队首／队尾获取元素并删除：removeFirst()/pollFirst()/removeLast()/pollLast()；

  • 从队首／队尾获取元素但不删除：getFirst()/peekFirst()/getLast()/peekLast()；

  • 总是调用xxxFirst()/xxxLast()以便与Queue的方法区分开；

  • 避免把null添加到队列。

Stack

栈（Stack）是一种后进先出（LIFO：Last In First Out）的数据结构，元素的插入和删除操作都发生在栈的顶端。虽然 Stack 类是 Java 提供的传统类，但它已被 Deque 接口的 ArrayDeque 替代，ArrayDeque 提供了更高效的栈操作。常见实现：Stack（遗留类，较旧，不推荐使用）、ArrayDeque（推荐使用）。

Deque<String> stack = new ArrayDeque<>();

在Java中，我们用 Deque 可以实现 Stack 的功能：

  • 把元素压栈：push(E) / addFirst(E)；

  • 把栈顶的元素“弹出”：pop() / removeFirst()；

  • 取栈顶元素但不弹出：peek() / peekFirst()。

为什么 Java 的集合类没有单独的 Stack 接口呢？因为有个遗留类名字就叫 Stack，出于兼容性考虑，所以没办法创建 Stack 接口，只能用Deque 接口来“模拟”一个 Stack 了。

当我们把 Deque 作为 Stack 使用时，注意只调用 push() / pop() / peek() 方法，不要调用 addFirst() / removeFirst() / peekFirst() 方法，这样代码更加清晰。

Map（映射，存储键值对）

Map 是一个存储键值对（key-value）的集合，Map 中的键是唯一的，值可以重复。

实现类：

  • HashMap：基于哈希表实现，查找和插入的性能较高，元素无序。（HashMap 非线程安全，高效，支持null）

  • LinkedHashMap：保持插入顺序的 HashMap 实现。

  • TreeMap：基于红黑树实现，元素按键的自然顺序或指定的 Comparator 排序。

  • Hashtable：遗留类，过时的线程安全版本，不推荐使用。（HashTable 线程安全，低效，不支持null ）

HashMap 是 Map 接口最常用的实现，基于哈希表实现。它在内部会对 Key 进行排序，这种 Map 就是 SortedMap。注意到 SortedMap 是接口，它的实现类是 TreeMap。

Map<String, String> map = new HashMap<>();

常用方法：

  • put(K key, V value)：添加键值对。

  • get(Object key)：根据键获取对应的值。

  • remove(Object key)：删除指定键的键值对。

  • boolean containsKey(Object key)：判断是否包含指定键。

  • containsValue(Object value)：判断是否包含指定值。

  • keySet()：获取所有键。

  • values()：获取所有值。

PS: Map 中不存在重复的 key，因为放入相同的 key ，只会把原有的 key-value 对应的 value 给替换掉。

遍历 Map （无序，既不是插入顺序，也不是某个逻辑下的排序顺序）

for (String key : map.keySet()) {  // keySet()方法返回的Set集合，它包含不重复的key的集合Integer value = map.get(key);System.out.println(key + " = " + value);}for (Map.Entry<String, Integer> entry : map.entrySet()) {  // entrySet()集合，它包含每一个key-value映射String key = entry.getKey();Integer value = entry.getValue();System.out.println(key + " = " + value);
}

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