【转载】Java集合容器全面分析

转自：http://blog.csdn.net/garfielder007/article/details/52143803

简介：

集合类Collection不是Java的核心类，是Java的扩展类。集合可以用来储存任何类型的对象，给程序员提供了代码编写的灵活性，但是同时也带来了类型安全的问题。JDK1.5集以上的版本支持Generics，这种新概念的提出改变了Java传统代码的编写方式。（Generics type）编程概念和技术应用于集合类，解决了集合类的类型安全问题，这可用于对任何数据类型的定义和操作。

集合和数组有了紧密的联系又有很多的不同之处。

集合和数组的相同之处：

1、它们都用来储存多个对象

2、有些集合类，例如ArrayList，实际上应用数组结构储存对象

集合类和数组的不同之处：

1、集合类是Java的扩充的API类，而数组是Java语言本身的数据结构

2、集合储存的对象是动态可变的，而数组的大小是静态不变的

3、集合只可用于储存对象，而数组可用来储存基本类型或者对象

4、集合一般使用方法，例如add()，或者iterator()，来添加或访问对象，而数组使用下标

5、集合可使用众多的方法，而数组可使用的方法较少

从整体的角度来看，集合类由两部分组成：Collection接口和Map接口。二级接口Set和List继承了Collection接口，并且导出三个常用的集合类HashSet、ArrayList、LinkedList

接口Map提供了两个常用的集合类：HaspMap、TreeMap

Collection和Map都包括在java。util包中。

Coll2ection定义接口类的基本方法，其二级接口Set与List是将集合类分为不同功能的两大类：Set（不允许有重复元素）、List（允许有重复元素）

虽然集合类有两个独立的接口构成，但是它们有着许多相同的集合操作方式，它们之间的不同在于对元素的储存方式。

1、Collection：定义对所有集合类操作的基本方法，例如size()/isEmpty()/contains()/add()/remove()/isterator()等15个方法，这是从Iterable接口继承而来。

2、Set：定义不允许重复元素和集合类的基本操作方法，集成Collection中的所有方法

3、List：定义允许重复元素的集合类的基本操作方法，继承了Collection‘中定义的所有方法，定义对一些方法的重载签名，增添了新的方法。

4、Map：定义对所有map集合类操作的基本方法，例如containsKey()/containsValue()/keySet()/put()/values()等14个方法，它本身就是一个根接口。

（1）ArrayList：数组式结构的集合类，其大小可自动调整，保持元素添加的位置，对元素的有序和随机访问非常有效，但不在结尾添加元素时效率不高

（2）LinkedList：与ArrayList相似，但应用链接式结构，不再结尾位置添加和删除元素非常有效

（3）HashSet：应用Hash码储存五重复元素的集合类，储存的元素必须完善hashCode()方法以保证其唯一性

我们在一般情况下，就可以把ArrayList和LinkedList看成是C语言中的数组和链表，它们的优劣性都可以参照一下。

Map接口中的常用类：

（1）HashMap：与HashSet相似，但它们属于不同的接口，以key-value一一对应的方式来储存无重复元素。

（2）TreeMap：与HashMap相似，但以树tree的数据结构储存元素，元素必须是key-value意义对应的方法储存，且自动按照key对象排序。

对于Map的KeySet()方法返回类型是Set，而Values()的返回类型是Collection。（应用性比较广）

下面两个程序，比较map中key-value的一一对应：

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1. package connections;  
2.   
3. import java.util.HashMap;  
4. import java.util.Map;  
5.   
6. public class EmployeeMapTest {  
7.     public static void main(String[] args) {  
8.         Map<String, String> employeeMap = new HashMap<String, String>();  
9.         employeeMap.put("1000", "litianpeng");  
10.         employeeMap.put("115", "zuxiaoyu");  
11.         employeeMap.put("1102", "lihuanhuan");  
12.         //employeeMap.put("115", "surprise");  
13.         System.out.println(employeeMap);  
14.     }  
15. }  

运行截图：

[java] view
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 print?

1. package connections;  
2.   
3. import java.util.HashMap;  
4. import java.util.Map;  
5.   
6. public class EmployeeMapTest {  
7.     public static void main(String[] args) {  
8.         Map<String, String> employeeMap = new HashMap<String, String>();  
9.         employeeMap.put("1000", "litianpeng");  
10.         employeeMap.put("115", "zuxiaoyu");  
11.         employeeMap.put("1102", "lihuanhuan");  
12.         employeeMap.put("115", "surprise");  
13.         System.out.println(employeeMap);  
14.     }  
15. }  

运行截图：

可以看出来key=115的键值已经被替代了。

下面介绍Collection集合类：

1、ArraList：以数组作为实现的结构，氮元素不受固定空间的限制，是大小可变的数组，但是任何不再结尾处增添元素的操作，都需要移位，ArrayList可以接受任何Object对象作为它的元素，但不允许是基本类型，且对元素的访问和操作通过调用方法进行。

注意：系统预设ArrayList的元素数为10，可以指定ArrayList对象储存元素的大小，其空间将随着元素的增添和清除而自动增加或者减少。

2、LinkedList：链接表LinkedList与ArrayList相似，但应用节点node数据结构实现，因而提高了不再结尾处增添或者删除元素操作的效率。

3、HashSet：HashSet集合主要应用于简单快速、与检索有关的操作

HashSet与ArrayList和LinkedList相比，主要有下列不同的特点：

（1）应用hash表结构

（2）不允许有重复的元素

（3）元素是无序的，即按照哈希码储存

（4）自定义集合元素必须覆盖hashcode()方法来产生哈希码

4、Iterator：元素迭代器，在ArrayList和LinkedList中都提供方法iterator()，用来返回一个指定类型的元素迭代器Iterator对集合的引用，用来对各元素按次序遍历。

boolean hasNext()：如果仍有元素，返回真，否则返回假

E next()：返回下一个元素

void remove()：删除迭代器当前指向集合中的元素

下面介绍Map集合类：

主要包括HashMap和TreeMap两大类，它们中的每一个元素必须应用一对key-value来储存。由key来映射value。

注意

（1）key与value必须是对象，而不允许是基本数据类型

（2）key在一个集合中必须具有唯一性，即key不允许有重复，但允许有重复的value出现

1、HashMap：HashMap实现Map接口，它利用Hash表结构，因而集合中的元素不按次序排列。

注意：系统预设HashMap的元素数目为16，也可以自己指定HashMap储存的元素数目。

由于HashMap不支持迭代器，可以利用keySet()方法，以set引用返回HashMap集合中所有的key，再利用元素迭代器对元素进行遍历，对元素的遍历，可以调用values()实现

2、TreeMap：TreeMap与HashMap相似，实现了Map接口，所有元素都是key-value的映射。两者之间的不同点在于

（1）TreeMap是应用于Tree数据结构储存key-value元素，而HashMap利用Hash表结构

（2）TreeMap集合中的各个映射单元是按照key自动排序的，而HashMap集合中的各映射单元是无序的

（3）TreeMap集合更加有效利用存储空间，而HashMap必须指定或者使用预设映射单元存储空间

一、Set与Map

Set集合的继承体系：

Map集合的继承体系：

从上面的继承关系我们可以看出来，实现Map接口和Set接口的接口名、类名完全相似。

从上一篇博文的分析我们可以知道，Map集合的key具有一个特征：所有的key不能重复，且key之间没有顺序（TreeMap是有顺序的），如果将Map集合的所有key集中起来，那这些key就组成了一个set集合，则map集合提供了keySet()方法返回所有key组成的集合。这样就实现了Map到Set之间的转换。其实也可以实现Set到Map之间的转换。

下面简单实现一下将Set扩展成Map，自定义个一个SimpleEntry类，

代码如下：

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1. package com.crazyit;  
2.   
3. import java.util.HashSet;  
4. import java.util.Iterator;  
5. import java.util.Map;  
6.   
7. class SimpleEntry<K, V> implements Map.Entry<K, V>, java.io.Serializable {  
8.     private final K key;  
9.     private V value;  
10.   
11.     public SimpleEntry(K key, V value) {  
12.         this.key = key;  
13.         this.value = value;  
14.     }  
15.   
16.     public SimpleEntry(Map.Entry<? extends K, ? extends V> entry) {  
17.         this.key = entry.getKey();  
18.         this.value = entry.getValue();  
19.     }  
20.   
21.     public K getKey() {  
22.         return key;  
23.     }  
24.   
25.     public V getValue() {  
26.         return value;  
27.     }  
28.   
29.     public V setValue(V value) {  
30.         V oldValue = this.value;  
31.         this.value = value;  
32.         return oldValue;  
33.     }  
34.   
35.     public boolean equals(Object o) {  
36.         if (o == this) {  
37.             return true;  
38.         }  
39.         if (o.getClass() == SimpleEntry.class) {  
40.             SimpleEntry se = (SimpleEntry) o;  
41.             return se.getKey().equals(getKey());  
42.         }  
43.         return false;  
44.     }  
45.   
46.     public int hashCode() {  
47.         return key == null ? 0 : key.hashCode();  
48.     }  
49.   
50.     public String toString() {  
51.         return key + "=" + value;  
52.     }  
53. }  
54.   
55. public class Set2Map<K, V> extends HashSet<SimpleEntry<K, V>> {  
56.     public void clear() {  
57.         super.clear();  
58.     }  
59.   
60.     public boolean containsKey(K key) {  
61.         return super.contains(new SimpleEntry<K, V>(key, null));  
62.     }  
63.   
64.     boolean containsValue(Object value) {  
65.         for (SimpleEntry<K, V> se : this) {  
66.             if (se.getValue().equals(value)) {  
67.                 return true;  
68.             }  
69.         }  
70.         return false;  
71.     }  
72.   
73.     public V get(Object key) {  
74.         for (SimpleEntry<K, V> se : this) {  
75.             if (se.getKey().equals(key)) {  
76.                 return se.getValue();  
77.             }  
78.         }  
79.         return null;  
80.     }  
81.   
82.     public V put(K key, V value) {  
83.         add(new SimpleEntry<K, V>(key, value));  
84.         return value;  
85.     }  
86.   
87.     public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m) {  
88.         for (K key : m.keySet()) {  
89.             add(new SimpleEntry<K, V>(key, m.get(key)));  
90.         }  
91.     }  
92.   
93.     public V removeEntry(Object key) {  
94.         for (Iterator<SimpleEntry<K, V>> it = this.iterator(); it.hasNext();) {  
95.             SimpleEntry<K, V> en = (SimpleEntry<K, V>) it.next();  
96.             if (en.getKey().equals(key)) {  
97.                 V v = en.getValue();  
98.                 it.remove();  
99.                 return v;  
100.             }  
101.         }  
102.         return null;  
103.     }  
104.   
105.     public int size() {  
106.         return super.size();  
107.     }  
108. }  

自定义的一个SimpleEntry<K,V>类，当一个Set的所有集合元素都是SimpleEntry<K,V>对象的时候，该Set就变成了一个Map<K,V>集合。接下来，程序以HashSet<SimpleEntry<K,V>>为父类派生了一个子类Set2Map<K,V>，这个扩展类完全可以被当成Map使用，因此上面程序中的Set2Map<K,V>类中也提供了Map集合应该提供的绝大部分方法。

总结：可以通过对Set加以改造，将Set变为Map，这个改造的Map集合在功能上几乎可以和系统提供的Map一样。

二、HashMap与HashSet分析比较：

1、HashMap与HashSet都是采用传统的Hash算法决定集合的存储位置，这样可以保证快速存、取集合元素。

注意：集合虽然说存储Java对象，但实际上不会真正将Java对象放入Set集合中，而只是在Set集合中保留这些对象的引用罢了。

对于HashMap、HashSet及其子类而言，它们采用了Hash算法来决定集合中元素的存储位置

当在创建HashMap的时候，有一个默认的负载因子，其默认值为0.75,，这是时间和空间成本上的一种折衷，增大负载因子就可以减少Hash表所占用的内存空间，但会增加查询数据的时间开销，而查询又是最频繁的操作。减小负载因子会提高数据查询的性能，但是增加Hash表所占用的内存空间。

2、对于HashSet，它是基于HashMap实现的，HashSet底层采用HashMap来保存所有的元素，因此HashSet的实现相对容易一些。

注意：HashSet的绝大部分方法都是通过调用HashMap来实现的，因此HashSet和HashMap两个集合在实现本质上是相同的。

如果向HashSet中添加一个已经存在的元素，新添加的集合元素不会覆盖已有的集合元素。

下面我们看一个精彩的程序：

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1. package com.crazyit;  
2.   
3. import java.util.HashSet;  
4. import java.util.Set;  
5.   
6. public class HashSetTest {  
7.     public static void main(String[] args) {  
8.         Set<Name> s = new HashSet<Name>();  
9.         s.add(new Name("li", "tianpeng"));  
10.         System.out.println(s.contains(new Name("li", "tianpeng")));  
11.     }  
12. }  
13.   
14. class Name {  
15.     private String first;  
16.     private String last;  
17.   
18.     public Name(String first, String last) {  
19.         this.first = first;  
20.         this.last = last;  
21.     }  
22. }  

下面是结果截图：

打印出来的结果竟然是“false”，我们命名已经添加了一个new Name("abc","123")对象。

这是因为HashSet判断两个对象相等的标准除了要通过equals()方法比较返回true之外，还要两个对象的hashCode()返回值相等，而上面的程序没有没有重写Name类的hashCode()方法，两个Name对象的返回值并不相等，因此HashSet会把它们当成2个对象来处理。

下面重写了hashCode()方法：

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1. package com.crazyit;  
2.   
3. import java.util.HashSet;  
4. import java.util.Set;  
5.   
6. public class HashSetTest {  
7.     public static void main(String[] args) {  
8.         Set<Name> s = new HashSet<Name>();  
9.         s.add(new Name("li", "tianpeng"));  
10.         System.out.println(s.contains(new Name("li", "tianpeng")));  
11.     }  
12. }  
13.   
14. class Name {  
15.     private String first;  
16.     private String last;  
17.   
18.     public Name(String first, String last) {  
19.         this.first = first;  
20.         this.last = last;  
21.     }  
22.   
23.     public int hashCode() {  
24.         return first.hashCode();  
25.     }  
26.   
27.     public boolean equals(Object o) {  
28.         if (this == o)  
29.             return true;  
30.         if (o.getClass() == Name.class) {  
31.             Name n = (Name) o;  
32.             return n.first.equals(first);  
33.         }  
34.         return false;  
35.     }  
36. }  

运行结果截图如下：

三、TreeMap与TreeSet比较分析：

1、TreeSet底层采用一个NavigableMap来保存TreeSet集合的元素，但是，由于NavigableMap只是一个接口，因此底层仍然使用TreeMap来包含集合中所有元素。

注意：TreeSet里绝大部分方法都是直接调用TreeMap的方法来实现的。

2、TreeMap则采用一种“红黑树”的排序二叉树来保存Map中的每一个元素，每个元素被当成“红黑树”的一个节点对待。

每次添加一个新元素时，此新元素作为“红黑树”的根节点被添加到已有的红黑树中。这样利用红黑树可以快速地插入与删除还有查找。

下面是TreeMap的应用程序：

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1. package com.crazyit;  
2.   
3. import java.util.TreeMap;  
4.   
5. public class TreeMapTest {  
6.     public static void main(String[] args) {  
7.         TreeMap<String, Double> map = new TreeMap<String, Double>();  
8.         map.put("ccc", 89.0);  
9.         map.put("zzz", 89.0);  
10.         map.put("aaa", 89.0);  
11.         map.put("bbb", 89.0);  
12.         System.out.println(map);  
13.     }  
14. }  

运行结果如下：

关于红黑树的介绍：以后我们会慢慢提到。

总结：Treemap本质上就是一个“红黑树”，而TreeMap上的每一个元素就是该红黑树上的节点。

四、Map和List比较分析：

1、Map的values()方法，Map集合是一个关联数组，Map可以根据key来获取对应的value，所以这些value可以组成一个List集合。但是Map的values()方法并未返回一个List集合。

可以从下面的代码中看出：

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1. package com.crazyit;  
2.   
3. import java.util.HashMap;  
4. import java.util.TreeMap;  
5.   
6. public class MapValueTest {  
7.     public static void main(String[] args) {  
8.         HashMap<String, Double> scores = new HashMap<String, Double>();  
9.         scores.put("语文", 89.0);  
10.         scores.put("数学", 83.0);  
11.         scores.put("英文", 84.0);  
12.         System.out.println(scores.values());  
13.         System.out.println(scores.values().getClass());  
14.         TreeMap<String, Double> health = new TreeMap<String, Double>();  
15.         health.put("身高", 173.0);  
16.         health.put("体重", 171.0);  
17.         System.out.println(health.values());  
18.         System.out.println(health.values().getClass());  
19.     }  
20. }  

运行结果如下：

可以看出来Map中values()方法返回的值的集合不是List对象。

2、TreeMap：与HashMap优点类似，TreeMap的values()方法返回同样的Values对象，但是此处的Values类是TreeMap的私有内部类，因为TreeMap是用“红黑树”实现的，所以此时Values类当然要考虑红黑树的一些特性。

总结：HashMap和TreeMap中的values()方法并未把Map中的value重新组合成一个包含元素的集合对象，这样可以大大降低系统的开销。

五、Map和List的分析比较：

Map与Set的底层结构很相似，从用法也有一些相似的地方：

（1）Map接口提供了get(K key)方法允许Map对象根据key取得value

（2）List接口提供了get(int index)方法允许List对象根据元素索引取得value

可以把List看成所有key都是int类型的Map，也可以把Map看成key可以是任何类型的List。

六、ArrayList和LinkedList分析比较：

在List集合的实现类中，主要有3种：ArrayList、Vector和LinkedList。其中Vector还有一个Stack子类，此Stack子类仅在Vector父类的基础上增加了5个方法，这5个方法就将一个Vector扩展成了Stack，实际从本质上来讲，Stack仍然是一个Vector，它只是比Vector多了5个方法罢了。

但实际上，Java不推荐使用Stack类，而使推荐使用Deque实现类，Java提供了一个Deque接口，并为该接口提供了一个ArrayDeque实现类，在无需保证线程安全的情况下，程序完全可以使用ArrayDeque来代替Stack类。

Deque接口代表双端队列这种数据结构，它既有队列FIFO的性质，也有栈FILO的性质。

1、Vector与ArrayList区别：

（1）从序列化机制来看，ArrayList的实现比Vector实现更安全

（2）但Vector是ArrayList的线程安全版本，Vector和ArrayList的绝大部分方法都是相同的，只是Vector的方法增加了synchronized关键字

注意：在多线程条件下使用List集合，而且需要保证List集合的线程安全，仍然可以不使用Vector，考虑将ArrayList包装成线程安全的集合类。Java提供了一个Collections工具类，通过该工具类synchronizedList方法可以将一个普通的ArrayList包装成线程安全的ArrayList。

2、ArrayList和LinkedList区别：

（1）ArrayList是一种顺序存储的线性表

（2）LinkedList是一种链式存储的线性表，其本质就是一个双向链表，因为它不仅实现了List接口，而且实现了Deque接口。

总结：ArrayList取数的性能优越，LinkedList插入、删除的性能优越。

七、Iterator迭代器：

下面看关于迭代器的几个代码：

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1. package com.crazyit;  
2.   
3. import java.util.ArrayList;  
4. import java.util.Iterator;  
5.   
6. public class ArrayListRemove {  
7.     public static void main(String[] args) {  
8.         ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();  
9.         list.add("111");  
10.         list.add("222");  
11.         list.add("333");  
12.         Iterator<String> it = list.iterator();  
13.         while (it.hasNext()) {  
14.             String ele = it.next();  
15.             if (ele.equals("222"))  
16.                 list.remove(ele);  
17.         }  
18.     }  
19. }  

此时并没有产生异常，

下面再看一个代码：

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1. package com.crazyit;  
2.   
3. import java.util.ArrayList;  
4. import java.util.Iterator;  
5.   
6. public class ArrayListRemove {  
7.     public static void main(String[] args) {  
8.         ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();  
9.         list.add("111");  
10.         list.add("222");  
11.         list.add("333");  
12.         Iterator<String> it = list.iterator();  
13.         while (it.hasNext()) {  
14.             String ele = it.next();  
15.             if (ele.equals("333"))  
16.                 list.remove(ele);  
17.         }  
18.     }  
19. }  

此时会产生如下异常：

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1. package com.crazyit;  
2.   
3. import java.util.Iterator;  
4. import java.util.TreeSet;  
5.   
6. public class ArrayListRemove {  
7.     public static void main(String[] args) {  
8.         TreeSet<String> set = new TreeSet<String>();  
9.         set.add("111");  
10.         set.add("222");  
11.         set.add("333");  
12.         Iterator<String> it = set.iterator();  
13.         while (it.hasNext()) {  
14.             String ele = it.next();  
15.             if (ele.equals("333"))  
16.                 set.remove(ele);  
17.         }  
18.     }  
19. }  

此时并不会产生异常，

再看下面的代码：

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1. package com.crazyit;  
2.   
3. import java.util.Iterator;  
4. import java.util.TreeSet;  
5.   
6. public class ArrayListRemove {  
7.     public static void main(String[] args) {  
8.         TreeSet<String> set = new TreeSet<String>();  
9.         set.add("111");  
10.         set.add("222");  
11.         set.add("333");  
12.         Iterator<String> it = set.iterator();  
13.         while (it.hasNext()) {  
14.             String ele = it.next();  
15.             if (ele.equals("222"))  
16.                 set.remove(ele);  
17.         }  
18.     }  
19. }  

此时产生如下异常：

总结：

（1）实际上，对于ArrayList、Vector、LinkedList等List集合而言，如果正在遍历倒数第2个集合元素，使用List集合的remove()方法删除集合的任意一个元素并不会发生异常，当正在遍历其他元素时删除其他元素就会发生相关异常。

（2）对于TreeSet、HashSet等Set集合而言，当使用Iterator遍历它们时，如果正在遍历最后一个集合元素时，使用Set集合的remove()方法删除结婚的元素并不会引发异常，但是如果在遍历其他集合元素时删除其他元素，就会引发相关异常。

因为对于List集合，如果在遍历最后第2个元素时执行删除操作，则List调用Iterator对应的hashNext()方法判断已经没有下一个元素了，则不会取next()了。

而对于Set集合，在遍历最后一个元素时，此时遍历操作已经完成，删除Set中元素不会产生任何影响。

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