Java容器详解

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Java容器详解

作者：lairikeqi

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2019-12-11

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文章主要介绍了什么是容器，Java基本容器类包括：List，Set，Queue，Map，他们的区别是什么？希望本文对您的学习有所帮助。
本文来自于csdn，由火龙果软件Alice编辑、推荐。

一、容器的概念

1. 什么是容器

在Java当中，有一个类专门用来存放其它类的对象，这个类就叫做容器，它就是将若干性质相同或相近的类对象组合在一起而形成的一个整体。

2. 常用的Java

容器二、List，Map，Set，Queue

1. List

有序的 collection(也称为序列)。此接口的用户可以对列表中每个元素的插入位置进行精确地控制。用户可以根据元素的整数索引（在列表中的位置）访问元素，并搜索列表中的元素。与 set 不同，列表通常允许重复的元素。

Arraylist： Object数组

Vector： Object数组

LinkedList：双向链表(JDK1.6之前为循环链表，JDK1.7取消了循环)

2. Set

一个不包含重复元素的 collection。更确切地讲，set 不包含满足 e1.equals(e2) 的元素对 e1 和 e2，并且最多包含一个 null 元素。正如其名称所暗示的，此接口模仿了数学上的 set 抽象。

HashSet（无序，唯一）: 基于 HashMap 实现的，底层采用 HashMap 来保存元素

LinkedHashSet： LinkedHashSet 继承与 HashSet，并且其内部是通过 LinkedHashMap 来实现的。有点类似于我们之前说的LinkedHashMap 其内部是基于 Hashmap 实现一样，不过还是有一点点区别的。

TreeSet（有序，唯一）：红黑树(自平衡的排序二叉树。)

3. Map

将键映射到值的对象。一个映射不能包含重复的键；每个键最多只能映射到一个值。

HashMap： JDK1.8之前HashMap由数组+链表组成的，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

LinkedHashMap： 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。

Hashtable：数组+链表组成的，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。

TreeMap：红黑树（自平衡的排序二叉树）

4. Queue

在处理元素前用于保存元素的collection。除了基本的 Collection 操作外，队列还提供其他的插入、提取和检查操作。

5. List Set Map的区别

List(对付顺序的好帮手)： List接口存储一组不唯一（可以有多个元素引用相同的对象），有序的对象；

Set(注重独一无二的性质): 不允许重复的集合。不会有多个元素引用相同的对象。；

Map(用Key来搜索的专家): 使用键值对存储。Map会维护与Key有关联的值。两个Key可以引用相同的对象，但Key不能重复，典型的Key是String类型，但也可以是任何对象。

三、ArrayList，LinkedList，Vector

1. ArrayList概念

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, Serializable

ArrayList 的底层是数组队列，相当于动态数组。与 Java 中的数组相比，它的容量能动态增长。在添加大量元素前，应用程序可以使用ensureCapacity操作来增加 ArrayList 实例的容量，这可以减少递增式再分配的数量。

它继承于 AbstractList，实现了 List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable 这些接口。

ArrayList 继承了AbstractList，实现了List。它是一个数组队列，提供了相关的添加、删除、修改、遍历等功能。

ArrayList 实现了RandomAccess 接口， RandomAccess 是一个标志接口，表明实现这个这个接口的 List 集合是支持快速随机访问的。在 ArrayList 中，我们即可以通过元素的序号快速获取元素对象，这就是快速随机访问。

ArrayList 实现了Cloneable 接口，即覆盖了函数 clone()，能被克隆。

ArrayList 实现java.io.Serializable 接口，这意味着ArrayList支持序列化，能通过序列化去传输。

和 Vector 不同，ArrayList 中的操作不是线程安全的！所以，建议在单线程中才使用 ArrayList，而在多线程中可以选择 Vector 或者 CopyOnWriteArrayList。

2. LinkedList概念

public class LinkedList<E> extends AbstractSequentialList<E> implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, Serializable

LinkedList是一个实现了 List接口和 Deque接口的双端链表。

LinkedList底层的链表结构使它支持高效的插入和删除操作，另外它实现了Deque接口，使得LinkedList类也具有队列的特性。

LinkedList不是线程安全的，如果想使其变成线程安全，可以调用静态类Collections类中的synchronizedList方法：

List list=Collections.synchronizedList(new LinkedList(...));

内部结构分析:

如下图所示：

看完了图之后，我们再看LinkedList类中的一个内部私有类Node就很好理解了：

private static class Node<E> {
E item;//节点值
Node<E> next;//后继节点
Node<E> prev;//前驱节点
Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
this.item = element;
this.next = next;
this.prev = prev;
}
}

这个类就代表双端链表的节点Node。这个类有三个属性，分别是前驱节点，本节点的值，后继结点。

3. Vector概念

public class Vector<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, Serializable

Vector 类可以实现可增长的对象数组。与数组一样，它包含可以使用整数索引进行访问的组件。但是Vector 的大小可以根据需要增大或缩小，以适应创建 Vector 后进行添加或移除项的操作。

Vector 是同步的。

四、ArrayList，LinkedList，Vector常见面试题

1. Arraylist 与 LinkedList 有什么区别？

1. 是否保证线程安全： ArrayList 和 LinkedList 都是不同步的，也就是都不保证线程安全；

2. 底层数据结构： Arraylist 底层使用的是 Object 数组；LinkedList 底层使用的是双向链表数据结构（JDK1.6之前为循环链表，JDK1.7取消了循环）；

3. 插入和删除效率： ① ArrayList 采用数组存储，所以插入和删除元素的时间复杂度受元素位置的影响。比如：执行add(E e)方法的时候， ArrayList 会默认在将指定的元素追加到此列表的末尾，这种情况时间复杂度就是O(1)。但是如果要在指定位置 i 插入和删除元素的话（add(int index, E element)）时间复杂度就为 O(n-i)。因为在进行上述操作的时候集合中第 i 和第 i 个元素之后的(n-i)个元素都要执行向后位/向前移一位的操作。 ② LinkedList 采用链表存储，所以插入，删除元素时间复杂度不受元素位置的影响，都是近似 O（1）而数组为近似 O（n）。

4. 是否支持快速随机访问： LinkedList 不支持高效的随机元素访问，而 ArrayList 支持。快速随机访问就是通过元素的序号快速获取元素对象(对应于get(int index)方法)；

5. 内存空间占用： ArrayList的空间浪费主要体现在在list列表的结尾会预留一定的容量空间，而LinkedList的空间花费则体现在它的每一个元素都需要消耗比ArrayList更多的空间（因为要存放直接后继和直接前驱以及数据）。

下面再总结一下Arraylist 与 LinkedList的场景选择：

综合来说，在需要频繁读取集合中的元素时，更推介使用ArrayList，而在插入和删除操作较多时，更推介使用LinkedList。2. ArrayList 与 Vector 的区别是什么?

Vector类的所有方法都是同步的。可以由两个线程安全地访问一个Vector对象、但是一个线程访问Vector的话代码要在同步操作上耗费大量的时间。Arraylist不是同步的，所以在不需要保证线程安全时建议使用Arraylist。即：

线程安全：Vector 使用了 Synchronized 来实现线程同步，是线程安全的，而 ArrayList 是非线程安全的；

性能：ArrayList 在性能方面要优于 Vector。

五、HashMap，Hashtable，TreeMap

1. HashMap概念

HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable

HashMap 主要用来存放键值对，它基于哈希表的Map接口实现，是常用的Java集合之一。

JDK1.8 之前 HashMap 由数组+链表组成的，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。

JDK1.8 之前 HashMap 底层是数组和链表结合在一起使用也就是链表散列。HashMap 通过 key 的 hashCode 经过扰动函数处理过后得到 hash 值，然后通过 (n - 1) & hash 判断当前元素存放的位置（这里的 n 指的是数组的长度），如果当前位置存在元素的话，就判断该元素与要存入的元素的 hash 值以及 key 是否相同，如果相同的话，直接覆盖，不相同就通过拉链法解决冲突。

所谓扰动函数指的就是 HashMap 的 hash 方法。使用 hash 方法也就是扰动函数是为了防止一些实现比较差的 hashCode() 方法，换句话说使用扰动函数之后可以减少碰撞。

所谓 “拉链法” 就是：将链表和数组相结合。也就是说创建一个链表数组，数组中每一格就是一个链表。若遇到哈希冲突，则将冲突的值加到链表中即可。

相比于之前的版本，JDK1.8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。

2. Hashtable概念

public class Hashtable<K,V> extends Dictionary<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable

此类实现一个哈希表，该哈希表将键映射到相应的值。任何非 null 对象都可以用作键或值。

Hashtable 是同步的。

HashMap类大致相当于Hashtable ，除了它是不同步的，并允许null。

3. TreeMap概念

public class TreeMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements NavigableMap<K,V>, Cloneable, Serializable

基于红黑树(Red-Black tree)的 NavigableMap实现。该映射根据其键的自然顺序进行排序，或者根据创建映射时提供的 Comparator 进行排序，具体取决于使用的构造方法。

此实现为 containsKey、get、put 和 remove 操作提供受保证的log(n)时间开销。这些算法是 Cormen、Leiserson 和 Rivest 的 Introduction to Algorithms 中的算法的改编。

注意，此实现不是同步的。如果多个线程同时访问一个映射，并且其中至少一个线程从结构上修改了该映射，则其必须外部同步。

五、HashMap，Hashtable，TreeMap常见面试题

1. HashMap 和 Hashtable 有什么区别？

线程是否安全： HashMap 是非线程安全的，HashTable 是线程安全的；因为HashTable 内部的方法基本都经过synchronized 修饰。（如果你要保证线程安全的话就使用 ConcurrentHashMap 吧！）；

效率：因为线程安全的问题，HashMap 要比 HashTable 效率高一点。另外，HashTable 基本被淘汰，不要在代码中使用它；

对Null key 和Null value的支持： HashMap 中，null 可以作为键，这样的键只有一个，可以有一个或多个键所对应的值为 null。但是在 HashTable 中 put 进的键值只要有一个 null，直接抛出 NullPointerException；

初始容量大小和每次扩充容量大小的不同：创建时如果不指定容量初始值，HashMap 默认的初始化大小为16，之后每次扩充，容量变为原来的2倍。Hashtable 默认的初始大小为11，之后每次扩充，容量变为原来的2n+1；

底层数据结构： JDK1.8 以后的 HashMap 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，Hashtable 没有这样的机制。

下面这个方法保证了 HashMap 总是使用2的幂作为哈希表的大小。

/**
* Returns a power of two size for the given target capacity.
*/
static final int tableSizeFor(int cap) {
int n = cap - 1;
n |= n >>> 1;
n |= n >>> 2;
n |= n >>> 4;
n |= n >>> 8;
n |= n >>> 16;
return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}

2. ConcurrentHashMap

底层数据结构： JDK1.8 的 ConcurrentHashMap 底层采用的数据结构跟HashMap1.8的结构一样，数组+链表/红黑二叉树；

实现线程安全的方式（重要）：到了 JDK1.8 后ConcurrentHashMap（分段锁）已经摒弃了Segment的概念，而是直接用 Node 数组+链表+红黑树的数据结构来实现，并发控制使用 synchronized 和 CAS 来操作。（JDK1.6以后对 synchronized锁做了很多优化）整个看起来就像是优化过且线程安全的 HashMap，虽然在JDK1.8中还能看到 Segment 的数据结构，但是已经简化了属性，只是为了兼容旧版本。

两者的对比图：

JDK1.8的ConcurrentHashMap（TreeBin: 红黑二叉树节点 Node: 链表节点）：

ConcurrentHashMap取消了Segment分段锁，采用CAS和synchronized来保证并发安全。数据结构跟HashMap1.8的结构类似，数组+链表/红黑二叉树。Java 8在链表长度超过一定阈值（8）时将链表（寻址时间复杂度为O(N)）转换为红黑树（寻址时间复杂度为O(log(N))）

synchronized只锁定当前链表或红黑二叉树的首节点，这样只要hash不冲突，就不会产生并发，效率又提升N倍。

3. HashMap的实现原理是什么？

HashMap实现原理

4. HashMap是有序的还是无序的？

　　HashMap 的一个功能缺点就是它的无序性，被存入到 HashMap 中的元素，在遍历 HashMap 时，其输出是无序的。如果希望元素保持输入的顺序，可以使用 LinkedHashMap 替代。

　　LinkedHashMap 继承自 HashMap，具有高效性，同时在 HashMap 的基础上，又在内部增加了一个链表，用以存放元素的顺序。

六、HashSet，TreeSet

1. HashSet概念

public class HashSet<E> extends AbstractSet<E> implements Set<E>, Cloneable, Serializable

此类实现Set接口，由哈希表（实际为HashMap实例）支持。对集合的迭代次序不作任何保证，特别是它不能保证订单在一段时间内保持不变。这个类允许null元素。

注意，此实现不是同步的。如果多个线程同时访问一个哈希 set，而其中至少一个线程修改了该 set，那么它必须保持外部同步。

2. TreeSet概念

public class TreeSet<E> extends AbstractSet<E> implements NavigableSet<E>, Cloneable, Serializable

基于 TreeMap 的 NavigableSet 实现。使用元素的自然顺序对元素进行排序，或者根据创建 set 时提供的 Comparator 进行排序，具体取决于使用的构造方法。

此实现为基本操作（add、remove 和 contains）提供受保证的 log(n) 时间开销。

注意，此实现不是同步的。如果多个线程同时访问一个 TreeSet，而其中至少一个线程修改了该 set，那么它必须外部同步。

3. HashMap 和 HashSet区别

HashSet 底层就是基于 HashMap 实现的。（HashSet 的源码非常非常少，因为除了 clone()、writeObject()、readObject()是 HashSet 自己不得不实现之外，其他方法都是直接调用 HashMap 中的方法。

4. HashSet如何检查重复？

当把对象加入HashSet时，HashSet会先计算对象的hashcode值来判断对象加入的位置，同时也会与其他加入的对象的hashcode值作比较，如果没有相符的hashcode，HashSet会假设对象没有重复出现。但是如果发现有相同hashcode值的对象，这时会调用equals()方法来检查hashcode相等的对象是否真的相同。如果两者相同，HashSet就不会让加入操作成功。七、对集合的操作

1. Java针对ArrayList自定义排序的2种实现方法

1）让需要进行排序的对象的类实现Comparable接口，重写compareTo(To)方法，在其中定义排序规则，然后就可以直接调用Collections.sort()来排序对象数组。

public class Student implements Comparable{
......
@Override
public int compareTo(Object o) {
......
}
}

2）实现比较器接口Comparator，重写compare方法，直接当做参数传进sort中。

public class Test {
public static void main(String[] args) {
List<Student> list = new ArrayList<>();
list.add(new Student(1, "A", 20, 180));
list.add(new Student(2, "B", 21, 175));
list.add(new Student(3, "C", 22, 190));
list.add(new Student(4, "D", 21, 170));
list.add(new Student(5, "E", 20, 185));

Collections.sort(list, new Comparator<Student>() {
@Override
public int compare(Student o1, Student o2) {
if(o1.getAge() >= o2.getAge()) {
return 1;
}
else {
return -1;
}
}
});
......
}

}

2. Java中List去重

// 创建一个ArrayList 包含两个相同元素"111"
List<String> list = new ArrayList<String>();
list.add("111");
list.add("111");
list.add("222");

使用Set集合特性

// 创建HashSet集合
Set set = new HashSet();
set.addAll(list); // 将list所有元素添加到set中 set集合特性会自动去重复
list.clear();
list.addAll(set); // 将list清空并将set中的所有元素添加到list中

使用java8 stream api

// Collectors.toList方法是获取list类型的收集器 distinct方法进行去重 collect进行转换
// list2就是去重后得到的结果，可以看出java8的stream api使用很方便。
List<Object> list2 = list.stream().distinct().collect(Collectors.toList());

3. Java中集合如何遍历时删除数据？

使用官方推荐的Iterator迭代器提供的Iterator.remove方法在遍历集合时删除集合元素；

使用Java 8新增的removeIf方法在遍历集合时删除集合元素。

public static void iteratorRemove() {
List<Student> list = new ArrayList<>();
for (int i = 1; i <= LIST_SIZE; i++) {
list.add(new Student(i, "Student" + i));
}
Iterator<Student> iterator = list.iterator();
long millionSeconds = System.currentTimeMillis();
while (iterator.hasNext()) {
Student student = iterator.next();
if (student.getId() % CONDITION_NUM == 0) {
iterator.remove();
}
}
System.out.println("iteratorRemove操作耗时：" + (System.currentTimeMillis() - millionSeconds));
}
/**
* 也可以使用Java 8新增的removeIf方法在遍历时删除List中的元素，该方法也使用Iterator了，所以删除是安全的
*/
public static void ifRemove() {
List<Student> list = new ArrayList<>();
for (int i = 1; i <= LIST_SIZE; i++) {
list.add(new Student(i, "Student" + i));
}
long millionSeconds = System.currentTimeMillis();
list.removeIf(student -> student.getId() % CONDITION_NUM == 0);
System.out.println("ifRemove操作耗时：" + (System.currentTimeMillis() - millionSeconds));
}

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