java基础之集合:List Set Map的概述以及使用场景

本文的整体思路以及部分文字来源:来源一 和 来源二

Java集合类的基本概念:

首先大家要明白集合为什么会出现:

在编程中，常常需要集中存放多个数据。从传统意义上讲，数组是我们的一个很好的选择，前提是我们事先已经明确知道我们将要保存的对象的数量。一旦在数组初始化时指定了这个数组长度，这个数组长度就是不可变的，如果我们需要保存一个可以动态增长的数据(在编译时无法确定具体的数量)，java的集合类就是一个很好的设计方案了。

集合类主要负责保存、盛装其他数据，因此集合类也被称为容器类。所以的集合类都位于java.util包下，后来为了处理多线程环境下的并发安全问题，java5还在java.util.concurrent包下提供了一些多线程支持的集合类。

在学习Java中的集合类的API、编程原理的时候，我们一定要明白，"集合"是一个很古老的数学概念，它远远早于Java的出现。从数学概念的角度来理解集合能帮助我们更好的理解编程中什么时候该使用什么类型的集合类。

Java容器类类库的用途是"保存对象"，并将其划分为两个不同的概念：

1) Collection
一组"对立"的元素，通常这些元素都服从某种规则
 　　1.1) List必须保持元素特定的顺序
 　　1.2) Set不能有重复元素
 　　1.3) Queue保持一个队列(先进先出)的顺序
2) Map
一组成对的"键值对"对象

Collection和Map的区别在于容器中每个位置保存的元素个数:

1) Collection 每个位置只能保存一个元素(对象)
2) Map保存的是"键值对"，就像一个小型数据库。我们可以通过"键"找到该键对应的"值"

Java集合类的架构层次关系:

1)首先我们看一下Iterable这个接口的文档:

通过文档我们发现这是一个迭代器接口,是Collection接口的父接口;实现了这个Iterable接口的对象允许使用foreach(也就是增强for)进行遍历,这也就是说所有Collection集合对象都可以用foreach进行遍历; 并且我们发现这个接口只有一个方法iterator(),也就是迭代器,返回一个代表当前集合对象的泛型<T>的迭代器,用于遍历操作。

1.1)然后我们看一下继承了Iterable接口的Collection接口的文档:

通过文档我们发现Collection是继承了Iterable接口的子接口,并且是Set List Queue等接口的父接口,是最基本的集合接口,一个Collection代表一组Object的集合

1.1.1)Set

　　Set集合类似于一个罐子，"丢进"Set集合里的多个对象之间没有明显的顺序。Set继承自Collection接口，不能包含有重复元素(记住，这是整个Set类层次的共有属性)。
 　 Set判断两个对象相同不是使用"=="运算符，而是根据equals方法。也就是说，我们在加入一个新元素的时候，如果这个新元素对象和Set中已有对象进行注意equals比较都返回false，　　
 　 则Set就会接受这个新元素对象，否则拒绝。
    因为Set的这个制约，在使用Set集合的时候，应该注意两点：1) 为Set集合里的元素的实现类实现一个有效的equals(Object)方法、2) 对Set的构造函数，传入的Collection参数不能包
　　含重复的元素
        1) HashSet
        HashSet是Set接口的典型实现，HashSet使用HASH算法来存储集合中的元素，因此具有良好的存取和查找性能。当向HashSet集合中存入一个元素时，HashSet会调用该对象的
　　　　 hashCode()方法来得到该对象的hashCode值，然后根据该HashCode值决定该对象在HashSet中的存储位置。
        值得注意的是，HashSet集合判断两个元素相等的标准是两个对象通过equals()方法比较相等，并且两个对象的hashCode()方法的返回值相等
            1.1) LinkedHashSet
            LinkedHashSet集合也是根据元素的hashCode值来决定元素的存储位置，但和HashSet不同的是，它同时使用链表维护元素的次序，这样使得元素看起来是以插入的顺序保存的。
　　　　　　　当遍历LinkedHashSet集合里的元素时，LinkedHashSet将会按元素的添加顺序来访问集合里的元素。
            LinkedHashSet需要维护元素的插入顺序，因此性能略低于HashSet的性能，但在迭代访问Set里的全部元素时(遍历)将有很好的性能(链表很适合进行遍历)
        2) SortedSet
        此接口主要用于排序操作，即实现此接口的子类都属于排序的子类
            2.1) TreeSet
            TreeSet是SortedSet接口的实现类，TreeSet可以确保集合元素处于排序状态
        3) EnumSet
        EnumSet是一个专门为枚举类设计的集合类，EnumSet中所有元素都必须是指定枚举类型的枚举值，该枚举类型在创建EnumSet时显式、或隐式地指定。EnumSet的集合元素也是有序的，
　　　　 它们以枚举值在Enum类内的定义顺序来决定集合元素的顺序

1.1.2)List

    List集合代表一个元素有序、可重复的集合，集合中每个元素都有其对应的顺序索引。List集合允许加入重复元素，因为它可以通过索引来访问指定位置的集合元素。List集合默认按元素
　　 的添加顺序设置元素的索引
        1) ArrayList
        ArrayList是基于数组实现的List类，它封装了一个动态的增长的、允许再分配的Object[]数组。
        2) Vector
        Vector和ArrayList在用法上几乎完全相同，但由于Vector是一个古老的集合，所以Vector提供了一些方法名很长的方法，但随着JDK1.2以后，java提供了系统的集合框架，就将
　　　　 Vector改为实现List接口，统一归入集合框架体系中
            2.1) Stack
            Stack是Vector提供的一个子类，用于模拟"栈"这种数据结构(LIFO后进先出)
        3) LinkedList
        implements List<E>, Deque<E>。实现List接口，能对它进行队列操作，即可以根据索引来随机访问集合中的元素。同时它还实现Deque接口，即能将LinkedList当作双端队列
　　　　 使用。自然也可以被当作"栈来使用"

此处着重说一下ArrayList和LinkedList的区别:ArrayList查询快,增删慢,LinkedList查询慢,增删快;所以使用于不同的场景

Set和List的总结:

Set特点：元素无放入顺序，元素不可重复，重复元素会覆盖掉，（注意：元素虽然无放入顺序，但是元素在set中的位置是有该元素的HashCode决定的，其位置其实是固定的，加入Set 的Object必须定义equals()方法 ，另外list支持for循环，也就是通过下标来遍历，也可以用迭代器，但是set只能用迭代，因为他无序，无法用下标来取得想要的值。）
List特点：元素有放入顺序，元素可重复 

Set和List对比：
Set：检索元素效率低下，删除和插入效率高，插入和删除不会引起元素位置改变。
List：和数组类似，List可以动态增长，查找元素效率高，插入删除元素效率低，因为会引起其他元素位置改变。 

下面我们来说一下Map,Map与List,Set不同,并不是继承的Collection接口,我们首先来看一下Map的API文档:

Map用于保存具有"映射关系"的数据，因此Map集合里保存着两组值，一组值用于保存Map里的key，另外一组值用于保存Map里的value。key和value都可以是任何引用类型的数据。Map的key不允
许重复，即同一个Map对象的任何两个key通过equals方法比较结果总是返回false。
关于Map，我们要从代码复用的角度去理解，java是先实现了Map，然后通过包装了一个所有value都为null的Map就实现了Set集合
Map的这些实现类和子接口中key集的存储形式和Set集合完全相同(即key不能重复)
Map的这些实现类和子接口中value集的存储形式和List非常类似(即value可以重复、根据索引来查找)
    1) HashMap
    和HashSet集合不能保证元素的顺序一样，HashMap也不能保证key-value对的顺序。并且类似于HashSet判断两个key是否相等的标准也是: 两个key通过equals()方法比较返回true、
　　 同时两个key的hashCode值也必须相等
        1.1) LinkedHashMap
        LinkedHashMap也使用双向链表来维护key-value对的次序，该链表负责维护Map的迭代顺序，与key-value对的插入顺序一致(注意和TreeMap对所有的key-value进行排序进行区
分)
    2) Hashtable
    是一个古老的Map实现类
        2.1) Properties
        Properties对象在处理属性文件时特别方便(windows平台上的.ini文件)，Properties类可以把Map对象和属性文件关联起来，从而可以把Map对象中的key-value对写入到属性文
　　　　　件中，也可以把属性文件中的"属性名-属性值"加载到Map对象中
    3) SortedMap
    正如Set接口派生出SortedSet子接口，SortedSet接口有一个TreeSet实现类一样，Map接口也派生出一个SortedMap子接口，SortedMap接口也有一个TreeMap实现类
        3.1) TreeMap
        TreeMap就是一个红黑树数据结构，每个key-value对即作为红黑树的一个节点。TreeMap存储key-value对(节点)时，需要根据key对节点进行排序。TreeMap可以保证所有的
　　　　 key-value对处于有序状态。同样，TreeMap也有两种排序方式: 自然排序、定制排序
    4) WeakHashMap
    WeakHashMap与HashMap的用法基本相似。区别在于，HashMap的key保留了对实际对象的"强引用"，这意味着只要该HashMap对象不被销毁，该HashMap所引用的对象就不会被垃圾回收。
　　但WeakHashMap的key只保留了对实际对象的弱引用，这意味着如果WeakHashMap对象的key所引用的对象没有被其他强引用变量所引用，则这些key所引用的对象可能被垃圾回收，当垃
　　圾回收了该key所对应的实际对象之后，WeakHashMap也可能自动删除这些key所对应的key-value对
    5) IdentityHashMap
    IdentityHashMap的实现机制与HashMap基本相似，在IdentityHashMap中，当且仅当两个key严格相等(key1 == key2)时，IdentityHashMap才认为两个key相等
    6) EnumMap
    EnumMap是一个与枚举类一起使用的Map实现，EnumMap中的所有key都必须是单个枚举类的枚举值。创建EnumMap时必须显式或隐式指定它对应的枚举类。EnumMap根据key的自然顺序
　　(即枚举值在枚举类中的定义顺序)

Java里的Map类似于C#中的Dictionary字典集合,属于键值对的集合,键是唯一的

以上我们把Set List Map基本解释了一遍,下面借用大神的一张图做个结尾:

Java常用集合类的应用场景

1)ArrayList和LinkedList的区别和应用场景:

Arraylist：
优点：ArrayList是实现了基于动态数组的数据结构,因为地址连续，一旦数据存储好了，查询操作效率会比较高（在内存里是连着放的）。
缺点：因为地址连续， ArrayList要移动数据,所以插入和删除操作效率比较低。   

LinkedList：
优点：LinkedList基于链表的数据结构,地址是任意的，所以在开辟内存空间的时候不需要等一个连续的地址，对于新增和删除操作add和remove，LinedList比较占优势。LinkedList 适用于要头尾操作或插入指定位置的场景
缺点：因为LinkedList要移动指针,所以查询操作性能比较低。

适用场景分析：
当需要对数据进行对此访问的情况下选用ArrayList，当需要对数据进行多次增加删除修改时采用LinkedList。

2)ArrayList和Vector的区别和应用场景:

ArrayList和Vector都是用数组实现的，主要有这么三个区别：

1.Vector是多线程安全的，线程安全就是说多线程访问同一代码，不会产生不确定的结果。而ArrayList不是，这个可以从源码中看出，Vector类中的方法很多有synchronized进行修饰，这样就导致了Vector在效率上无法与ArrayList相比；
2.两个都是采用的线性连续空间存储元素，但是当空间不足的时候，两个类的增加方式是不同。

3.Vector可以设置增长因子，而ArrayList不可以。

4.Vector是一种老的动态数组，是线程同步的，效率很低，一般不赞成使用。

适用场景分析：
1.Vector是线程同步的，所以它也是线程安全的，而ArrayList是线程异步的，是不安全的。如果不考虑到线程的安全因素，一般用ArrayList效率比较高。
2.如果集合中的元素的数目大于目前集合数组的长度时，在集合中使用数据量比较大的数据，用Vector有一定的优势。

3)HashSet和TreeSet的区别和应用场景:

1.TreeSet 是二差树（红黑树的树据结构）实现的,Treeset中的数据是自动排好序的，不允许放入null值
2.HashSet 是哈希表实现的,HashSet中的数据是无序的，可以放入null，但只能放入一个null，两者中的值都不能重复，就如数据库中唯一约束
3.HashSet要求放入的对象必须实现HashCode()方法，放入的对象，是以hashcode码作为标识的，而具有相同内容的String对象，hashcode是一样，所以放入的内容不能重复。但是同一个类的对象可以放入不同的实例

适用场景分析:HashSet是基于Hash算法实现的，其性能通常都优于TreeSet。为快速查找而设计的Set，我们通常都应该使用HashSet，在我们需要排序的功能时，我们才使用TreeSet。

4)HashMap,TreeMap和Hashtable的区别和应用场景:

HashMap 非线程安全  可存null值和null键  JDK1.2出来的
Hashtable 线程安全 不可存null值和null键  JDK1.0出来的 所以是Hashtable而不是HashTable   因为命名规范是从JDK1.2开始完善的
HashMap：基于哈希表实现。使用HashMap要求添加的键类明确定义了hashCode()和equals()[可以重写hashCode()和equals()]，为了优化HashMap空间的使用，您可以调优初始容量和负载因子。
TreeMap：非线程安全基于红黑树实现。TreeMap没有调优选项，因为该树总处于平衡状态。 

适用场景分析：
HashMap和HashTable:HashMap去掉了HashTable的contains方法，但是加上了containsValue()和containsKey()方法。HashTable同步的，而HashMap是非同步的，效率上比HashTable要高。HashMap允许空键值，而HashTable不允许。
HashMap：适用于Map中插入、删除和定位元素。
Treemap：适用于按自然顺序或自定义顺序遍历键(key)。