Java中有哪些集合框架
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1. 为什么要使用集合
当我们在学习一个东西的时候,最好是明白为什么要使用这个东西,不要为了用而用,知其然而知其所以然。
集合,故名思议,是用来存储元素的,而数组也同样具有这个功能,那么既然出现了集合,必然是因为「数组的使用存在一定的缺陷」。
上篇文章已经简单提到过,数组一旦被定义,就无法再更改其存储大小。举个例子,假设有一个班级,现在有 50 个学生在这个班里,于是我们定义了一个能够存储 50 个学生信息的数组:
1)如果这个班里面来了 10 个转班生,由于数组的长度固定不变,那么显然这个数组的存储能力无法支持 60 个学生;再比如,这个班里面有 20 个学生退学了,那么这个数组实际上只存了 30 个学生,造成了内存空间浪费。总结来说,「由于数组一旦被定义,就无法更改其长度,所以数组无法动态的适应元素数量的变化」。
2)数组拥有 length 属性,可以通过这个属性查到数组的存储能力也就是数组的长度,但是无法通过一个属性直接获取到数组中实际存储的元素数量。
3)因为「数组在内存中采用连续空间分配的存储方式」,所以我们可以根据下标快速获的取对应的学生信息。比如我们在数组下标为 2 的位置存入了某个学生的学号 111,那显然,直接通过下标 2 就能获取学号 111。但是「如果反过来我们想要查找学号 111 的下标呢」?数组原生是做不到的,这就需要使用各种查找算法了。
4)另外,假如我们想要存储学生的姓名和家庭地址的一一对应信息,数组显然也是做不到的。
5)如果我们想在这个用来存储学生信息的数组中存储一些老师的信息,数组是无法满足这个需求的,它只能存储相同类型的元素。
为了解决这些数组在使用过程中的痛点,集合框架应用而生。简单来说,集合的主要功能就是两点:
存储不确定数量的数据(可以动态改变集合长度)
存储具有映射关系的数据
存储不同类型的数据
不过,需要注意的是,「集合只能存储引用类型(对象),如果你存储的是 int 型数据(基本类型),它会被自动装箱成 Integer 类型。而数组既可以存储基本数据类型,也可以存储引用类型」。
2. 集合框架体系速览
与现代的数据结构类库的常见情况一样,Java 集合类也将接口与实现分离,这些接口和实现类都位于 java.util 包下。按照其存储结构集合可以分为两大类:
单列集合 Collection
双列集合 Map
Collection 接口
「单列集合」 java.util.Collection:元素是孤立存在的,向集合中存储元素采用一个个元素的方式存储。
来看 Collection 接口的继承体系图:
Collection 接口中定义了一些单列集合通用的方法:
public boolean add(E e); // 把给定的对象添加到当前集合中 public void clear(); // 清空集合中所有的元素 public boolean remove(E e); // 把给定的对象在当前集合中删除 public boolean contains(E e); // 判断当前集合中是否包含给定的对象 public boolean isEmpty(); // 判断当前集合是否为空 public int size(); // 返回集合中元素的个数 public Object[] toArray(); // 把集合中的元素,存储到数组中
Collection 有两个重要的子接口,分别是 List 和 Set,它们分别代表了有序集合和无序集合:
1)List 的特点是「元素有序、可重复」,这里所谓的有序意思是:「元素的存入顺序和取出顺序一致」。例如,存储元素的顺序是 11、22、33,那么我们从 List 中取出这些元素的时候也会按照 11、22、33 这个顺序。List 接口的常用实现类有:
「ArrayList」:底层数据结构是数组,线程不安全
「LinkedList」:底层数据结构是链表,线程不安全
除了包括 Collection 接口的所有方法外,List 接口而且还增加了一些根据元素索引来操作集合的特有方法:
public void add(int index, E element); // 将指定的元素,添加到该集合中的指定位置上public E get(int index); // 返回集合中指定位置的元素public E remove(int index); // 移除列表中指定位置的元素, 返回的是被移除的元素public E set(int index, E element); // 用指定元素替换集合中指定位置的元素
2)Set 接口在方法签名上与 Collection 接口其实是完全一样的,只不过在方法的说明上有更严格的定义,最重要的特点是他「拒绝添加重复元素,不能通过整数索引来访问」,并且「元素无序」。所谓无序也就是元素的存入顺序和取出顺序不一致。其常用实现类有:
「HashSet」:底层基于 HashMap 实现,采用 HashMap 来保存元素
「LinkedHashSet」:LinkedHashSet 是 HashSet 的子类,并且其底层是通过 LinkedHashMap 来实现的。
至于为什么要定义一个方法签名完全相同的接口,我的理解是为了让集合框架的结构更加清晰,将单列集合从以下两点区分开来:
可以添加重复元素(List)和不可以添加重复元素(Set)
可以通过整数索引访问(List)和不可以通过整数索引(Set)
这样当我们声明单列集合时能够更准确的继承相应的接口。
Map 接口
「双列集合」 java.util.Map:元素是成对存在的。每个元素由键(key)与值(value)两部分组成,通过键可以找对所对应的值。显然这个双列集合解决了数组无法存储映射关系的痛点。另外,需要注意的是,「Map 不能包含重复的键,值可以重复;并且每个键只能对应一个值」。
来看 Map 接口的继承体系图:
Map 接口中定义了一些双列集合通用的方法:
public V put(K key, V value); // 把指定的键与指定的值添加到 Map 集合中。 public V remove(Object key); // 把指定的键所对应的键值对元素在 Map 集合中删除,返回被删除元素的值。 public V get(Object key); // 根据指定的键,在 Map 集合中获取对应的值。 boolean containsKey(Object key); // 判断集合中是否包含指定的键。 public SetkeySet(); // 获取 Map 集合中所有的键,存储到 Set 集合中。
Map 有两个重要的实现类,HashMap 和 LinkedHashMap :
① 「HashMap」:可以说 HashMap 不背到滚瓜烂熟不敢去面试,这里简单说下它的底层结构,后面会开文详细讲解。JDK 1.8 之前 HashMap 底层由数组加链表实现,数组是 HashMap 的主体,链表则是主要为了解决哈希冲突而存在的(“拉链法” 解决冲突)。JDK1.8 以后在解决哈希冲突时有了较大的变化,当链表长度大于阈值(默认为 8)时,将链表转化为红黑树,以减少搜索时间(注意:将链表转换成红黑树前会判断,如果当前数组的长度小于 64,那么会选择先进行数组扩容,而不是转换为红黑树)。
② 「LinkedHashMap」:HashMap 的子类,可以保证元素的存取顺序一致(存进去时候的顺序是多少,取出来的顺序就是多少,不会因为 key 的大小而改变)。
LinkedHashMap 继承自 HashMap,所以它的底层仍然是基于拉链式散列结构,即由数组和链表或红黑树组成。另外,LinkedHashMap 在上面结构的基础上,增加了一条双向链表,使得上面的结构可以保持键值对的插入顺序。同时通过对链表进行相应的操作,实现了访问顺序相关逻辑。
OK,我们已经知道,Map中存放的是两种对象,一种称为 key(键),一种称为 value(值),它俩在 Map 中是一一对应关系,这一对对象又称做 Map 中的一个 「Entry」(项)。Entry 将键值对的对应关系封装成了对象,即键值对对象。Map 中也提供了获取所有 Entry 对象的方法:
public Set> entrySet(); // 获取 Map 中所有的 Entry 对象的集合。
同样的,Map 也提供了获取每一个 Entry 对象中对应键和对应值的方法,这样我们在遍历 Map 集合时,就可以从每一个键值对(Entry)对象中获取对应的键与对应的值了:
public K getKey(); // 获取某个 Entry 对象中的键。 public V getValue(); // 获取某个 Entry 对象中的值。
下面我们结合上述所学,来看看 Map 的两种遍历方式:
1)「遍历方式一:根据 key 找值方式」
获取 Map 中所有的键,由于键是唯一的,所以返回一个 Set 集合存储所有的键。方法提示:keyset()
遍历键的 Set 集合,得到每一个键。
根据键,获取键所对应的值。方法提示:get(K key)
public static void main(String[] args) { // 创建 Map 集合对象 HashMapmap = new HashMap (); // 添加元素到集合 map.put(1, "小五"); map.put(2, "小红"); map.put(3, "小张"); // 获取所有的键 获取键集 Set keys = map.keySet(); // 遍历键集 得到 每一个键 for (Integer key : keys) { // 获取对应值 String value = map.get(key); System.out.println(key + ":" + value); } }
这里面不知道大家有没有注意一个细节,keySet 方法的返回结果是 Set。Map 由于没有实现 Iterable 接口,所以不能直接使用迭代器或者 for each 循环进行遍历,但是转成 Set 之后就可以使用了。至于迭代器是啥请继续往下看。
2)「遍历方式二:键值对方式」
获取 Map 集合中,所有的键值对 (Entry) 对象,以 Set 集合形式返回。方法提示:entrySet()。
遍历包含键值对 (Entry) 对象的 Set 集合,得到每一个键值对 (Entry) 对象。
获取每个 Entry 对象中的键与值。方法提示:getkey()、getValue()
// 获取所有的 entry 对象 Set> entrySet = map.entrySet(); // 遍历得到每一个 entry 对象 for (Entry entry : entrySet) { Integer key = entry.getKey(); String value = entry.getValue(); System.out.println(key + ":" + value); }
3. 迭代器 Iterator什么是 Iterator
在上一章数组中我们讲过 for each 循环:
for(variable : collection) { // todo }
collection 这一表达式必须是一个数组或者是一个实现了 Iterable 接口的类对象。可以看到 Collection 这个接口就继承了 Itreable 接口,所以所有实现了Collection 接口的集合都可以使用 for each 循环。
我们点进 Iterable 中看一看:
它拥有一个 iterator 方法,返回类型是 Iterator,这又是啥,我们再点进去看看:
又是三个接口,不过无法再跟下去了,我们去 Collection 的实现类中看看,有没有实现 Itreator 这个接口,随便打开一个,比如 ArrayList :
从源码可知:Iterator 接口在 ArrayList 中是以「内部类」的方式实现的。并且,Iterator 实际上就是在遍历集合。
所以总结来说:我们可以通过 Iterator 接口遍历 Collection 的元素,这个接口的具体实现是在具体的子类中,以内部类的方式实现。
这里提个问题,「为什么迭代器不封装成一个类,而是做成一个接口」?假设迭代器是一个类,这样我们就可以创建该类的对象,调用该类的方法来实现 Collection的遍历。
但事实上,Collection 接口有很多不同的实现类,在文章开头我们就说过,这些类的底层数据结构大多是不一样的,因此,它们各自的存储方式和遍历方式也是不同的,所以我们不能用一个类来规定死遍历的方法。我们提取出遍历所需要的通用方法,封装进接口中,让 Collection 的子类根据自己自身的特性分别去实现它。
看完上面这段分析,我们来验证一下,看看 LinkedList 实现的 Itreator 接口和 ArrayList 实现的是不是不一样:
显然,这两个虽然同为 Collection 的实现类,但是它们具体实现 Itreator 接口的内部过程是不一样的。
Iterator 基本使用
OK,我们已经了解了 Iterator 是用来遍历 Collection 集合的,那么具体是怎么遍历的呢?
答:「迭代遍历」!
解释一下迭代的概念:在取元素之前先判断集合中有没有元素,如果有,就把这个元素取出来,再继续判断,如果还有就再继续取出来。一直到把集合中的所有元素全部取出。这种取出方式就称为迭代。因此Iterator 对象也被称为「迭代器」。
也就是说,想要遍历 Collection 集合,那么就要获取该集合对应的迭代器。如何获取呢?其实上文已经出现过了,Collection 实现的 Iterable 中就有这样的一个方法:iterator
再来介绍一下 Iterator 接口中的常用方法:
public E next(); // 返回迭代的下一个元素。 public boolean hasNext(); // 如果仍有元素可以迭代,则返回 true
举个例子:
public static void main(String[] args) { Collectioncoll = new ArrayList (); // 添加元素到集合 coll.add("A"); coll.add("B"); coll.add("C"); // 获取 coll 的迭代器 Iterator it = coll.iterator(); while(it.hasNext()){ // 判断是否有迭代元素 String s = it.next(); // 获取迭代出的元素 System.out.println(s); } }
当然,用 for each 循环可以更加简单地表示同样的循环操作:
Collectioncoll = new ArrayList (); ... for(String element : coll){ System.out.println(element); }
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