Java集合(一)

1.集合概述

1.1 Java 集合概览

Java 集合， 也叫作容器，主要是由两大接口派生而来：一个是 Collection接口，主要用于存放单一元素；另一个是 Map 接口，主要用于存放键值对。对于Collection 接口，下面又有三个主要的子接口：List、Set 和 Queue。

注：图中只列举了主要的继承派生关系，并没有列举所有关系。比方省略了AbstractList, NavigableSet等抽象类以及其他的一些辅助类，如想深入了解，可自行查看源码。

1.2 说说 List, Set, Queue, Map 四者的区别？

• List(对付顺序的好帮手): 存储的元素是有序的、可重复的。
• Set(注重独一无二的性质): 存储的元素不可重复的。
• Queue(实现排队功能的叫号机): 按特定的排队规则来确定先后顺序，存储的元素是有序的、可重复的。
• Map(用 key 来搜索的专家): 使用键值对（key-value）存储，类似于数学上的函数 y=f(x)，"x" 代表 key，"y" 代表 value，key 是无序的、不可重复的，value 是无序的、可重复的，每个键最多映射到一个值。

1.3 集合框架底层数据结构总结

先来看一下 Collection 接口下面的集合。

1.3.1 List

• ArrayList：Object[] 数组。详细可以查看：ArrayList 源码分析。
• 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)。详细可以查看：LinkedList 源码分析。

1.3.2 Set

• HashSet(无序，唯一): 基于 HashMap 实现的，底层采用 HashMap 来保存元素。
• LinkedHashSet: LinkedHashSet 是 HashSet 的子类，并且其内部是通过 LinkedHashMap 来实现的。
• TreeSet(有序，唯一): 红黑树(自平衡的排序二叉树)。

1.3.3 Queue

• PriorityQueue: Object[] 数组来实现小顶堆。详细可以查看：PriorityQueue 源码分析。
• DelayQueue:PriorityQueue。详细可以查看：DelayQueue 源码分析。
• ArrayDeque: 可扩容动态双向数组。

1.3.4 Map

• 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）（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）时，将链表转化为红黑树，以减少搜索时间。详细可以查看：HashMap 源码分析。
• 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。详细可以查看：LinkedHashMap 源码分析
• Hashtable：数组+链表组成的，数组是 Hashtable 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）。

1.4 如何选用集合?

我们主要根据集合的特点来选择合适的集合。比如：

• 我们需要根据键值获取到元素值时就选用 Map 接口下的集合，需要排序时选择 TreeMap,不需要排序时就选择 HashMap,需要保证线程安全就选用 ConcurrentHashMap。
• 我们只需要存放元素值时，就选择实现Collection 接口的集合，需要保证元素唯一时选择实现 Set 接口的集合比如 TreeSet 或 HashSet，不需要就选择实现 List 接口的比如 ArrayList 或 LinkedList，然后再根据实现这些接口的集合的特点来选用。

1.5 为什么要使用集合？

当我们需要存储一组类型相同的数据时，数组是最常用且最基本的容器之一。但是，使用数组存储对象存在一些不足之处，因为在实际开发中，存储的数据类型多种多样且数量不确定。这时，Java 集合就派上用场了。与数组相比，Java 集合提供了更灵活、更有效的方法来存储多个数据对象。Java 集合框架中的各种集合类和接口可以存储不同类型和数量的对象，同时还具有多样化的操作方式。相较于数组，Java 集合的优势在于它们的大小可变、支持泛型、具有内建算法等。总的来说，Java 集合提高了数据的存储和处理灵活性，可以更好地适应现代软件开发中多样化的数据需求，并支持高质量的代码编写。

2. List

2.1 ArrayList 和 Array（数组）的区别？

ArrayList 内部基于动态数组实现，比 Array（静态数组） 使用起来更加灵活：

• ArrayList会根据实际存储的元素动态地扩容或缩容，而 Array 被创建之后就不能改变它的长度了。
• ArrayList 允许你使用泛型来确保类型安全，Array 则不可以。
• ArrayList 中只能存储对象。对于基本类型数据，需要使用其对应的包装类（如 Integer、Double 等）。Array 可以直接存储基本类型数据，也可以存储对象。
• ArrayList 支持插入、删除、遍历等常见操作，并且提供了丰富的 API 操作方法，比如 add()、remove()等。Array 只是一个固定长度的数组，只能按照下标访问其中的元素，不具备动态添加、删除元素的能力。
• ArrayList创建时不需要指定大小，而Array创建时必须指定大小。

下面是二者使用的简单对比：

Array：

 // 初始化一个 String 类型的数组
 String[] stringArr = new String[]{"hello", "world", "!"};
 // 修改数组元素的值
 stringArr[0] = "goodbye";
 System.out.println(Arrays.toString(stringArr));// [goodbye, world, !]
 // 删除数组中的元素，需要手动移动后面的元素
 for (int i = 0; i < stringArr.length - 1; i++) {
     stringArr[i] = stringArr[i + 1];
 }
 stringArr[stringArr.length - 1] = null;
 System.out.println(Arrays.toString(stringArr));// [world, !, null]

ArrayList ：

// 初始化一个 String 类型的 ArrayList
 ArrayList stringList = new ArrayList<>(Arrays.asList("hello", "world", "!"));
// 添加元素到 ArrayList 中
 stringList.add("goodbye");
 System.out.println(stringList);// [hello, world, !, goodbye]
 // 修改 ArrayList 中的元素
 stringList.set(0, "hi");
 System.out.println(stringList);// [hi, world, !, goodbye]
 // 删除 ArrayList 中的元素
 stringList.remove(0);
 System.out.println(stringList); // [world, !, goodbye]

2.2 ArrayList 和 Vector 的区别?（了解即可）

• ArrayList 是 List 的主要实现类，底层使用 Object[]存储，适用于频繁的查找工作，线程不安全 。
• Vector 是 List 的古老实现类，底层使用Object[] 存储，线程安全。

2.3 Vector 和 Stack 的区别?（了解即可）

• Vector 和 Stack 两者都是线程安全的，都是使用 synchronized 关键字进行同步处理。
• Stack 继承自 Vector，是一个后进先出的栈，而 Vector 是一个列表。

随着 Java 并发编程的发展，Vector 和 Stack 已经被淘汰，推荐使用并发集合类（例如 ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList 等）或者手动实现线程安全的方法来提供安全的多线程操作支持。

2.4 ArrayList 可以添加 null 值吗？

ArrayList 中可以存储任何类型的对象，包括 null 值。不过，不建议向ArrayList 中添加 null 值， null 值无意义，会让代码难以维护比如忘记做判空处理就会导致空指针异常。

ArrayList listOfStrings = new ArrayList<>();
listOfStrings.add(null);
listOfStrings.add("java");
System.out.println(listOfStrings);

[null, java]

2.5 ArrayList 插入和删除元素的时间复杂度？

对于插入：

• 头部插入：由于需要将所有元素都依次向后移动一个位置，因此时间复杂度是 O(n)。
• 尾部插入：当 ArrayList 的容量未达到极限时，往列表末尾插入元素的时间复杂度是 O(1)，因为它只需要在数组末尾添加一个元素即可；当容量已达到极限并且需要扩容时，则需要执行一次 O(n) 的操作将原数组复制到新的更大的数组中，然后再执行 O(1) 的操作添加元素。
• 指定位置插入：需要将目标位置之后的所有元素都向后移动一个位置，然后再把新元素放入指定位置。这个过程需要移动平均 n/2 个元素，因此时间复杂度为 O(n)。

对于删除：

• 头部删除：由于需要将所有元素依次向前移动一个位置，因此时间复杂度是 O(n)。
• 尾部删除：当删除的元素位于列表末尾时，时间复杂度为 O(1)。
• 指定位置删除：需要将目标元素之后的所有元素向前移动一个位置以填补被删除的空白位置，因此需要移动平均 n/2 个元素，时间复杂度为 O(n)。

2.6 LinkedList 插入和删除元素的时间复杂度？

• 头部插入/删除：只需要修改头结点的指针即可完成插入/删除操作，因此时间复杂度为 O(1)。
• 尾部插入/删除：只需要修改尾结点的指针即可完成插入/删除操作，因此时间复杂度为 O(1)。
• 指定位置插入/删除：需要先移动到指定位置，再修改指定节点的指针完成插入/删除，因此需要移动平均 n/2 个元素，时间复杂度为 O(n)。

这里简单列举一个例子：假如我们要删除节点 9 的话，需要先遍历链表找到该节点。然后，再执行相应节点指针指向的更改，具体的源码可以参考：LinkedList 源码分析 。