集合詳解之 Collection

時間  2020-11-30
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集合詳解之 Collection

先來看看集合的繼承關係圖，以下圖所示：java

其中：git

  • 外框爲虛線的表示接口，邊框爲實線的表示類；
  • 箭頭爲虛線的表示實現了接口，箭頭爲實線的表示繼承了類。

爲了方便理解，我隱藏了一些與本文內容無關的信息，隱藏的這些內容會在後面的章節中進行詳細地介紹。面試

從圖中能夠看出，集合的根節點是 Collection，而 Collection 下又提供了兩大經常使用集合，分別是：算法

  • List：使用最多的有序集合，提供方便的新增、修改、刪除的操做；
  • Set：集合不容許有重複的元素，在許多須要保證元素惟一性的場景中使用。

下面咱們分別對集合類進行詳細地介紹。數組

集合使用

1）Vector

Vector 是 Java 早期提供的線程安全的有序集合，若是不須要線程安全，不建議使用此集合，畢竟同步是有線程開銷的。安全

使用示例代碼：數據結構

Vector vector = new Vector();
vector.add("dog");
vector.add("cat");
vector.remove("cat");
System.out.println(vector);

程序執行結果：[dog]ide

2）ArrayList

ArrayList 是最多見的非線程安全的有序集合，由於內部是數組存儲的，因此隨機訪問效率很高，但非尾部的插入和刪除性能較低，若是在中間插入元素，以後的全部元素都要後移。ArrayList 的使用與 Vector 相似。函數

3）LinkedList

LinkedList 是使用雙向鏈表數據結構實現的，所以增長和刪除效率比較高，而隨機訪問效率較差。性能

LinkedList 除了包含以上兩個類的操做方法以外，還新增了幾個操做方法，如 offer() 、peek() 等，具體詳情，請參考如下代碼：

LinkedList linkedList = new LinkedList();
// 添加元素
linkedList.offer("bird");
linkedList.push("cat");
linkedList.push("dog");
// 獲取第一個元素
System.out.println(linkedList.peek());
// 獲取第一個元素，並刪除此元素
System.out.println(linkedList.poll());
System.out.println(linkedList);

程序的執行結果：

dog
dog [cat, bird]
4）HashSet

HashSet 是一個沒有重複元素的集合。雖然它是 Set 集合的子類，實際卻爲 HashMap 的實例，相關源碼以下：

public HashSet() {
    map = new HashMap<>();
}

所以 HashSet 是無序集合，沒有辦法保證元素的順序性。

HashSet 默認容量爲 16，每次擴充 0.75 倍，相關源碼以下：

public HashSet(Collection\<? extends E\> c) {
    map = new HashMap<>(Math.max((int) (c.size()/.75f) + 1, 16));
    addAll(c);
}

HashSet 的使用與 Vector 相似。

5）TreeSet

TreeSet 集合實現了自動排序，也就是說 TreeSet 會把你插入數據進行自動排序。

示例代碼以下：

TreeSet treeSet = new TreeSet();
treeSet.add("dog");
treeSet.add("camel");
treeSet.add("cat");
treeSet.add("ant");
System.out.println(treeSet);

程序執行結果：[ant, camel, cat, dog]

能夠看出，TreeSet 的使用與 Vector 相似，只是實現了自動排序。

6）LinkedHashSet

LinkedHashSet 是按照元素的 hashCode 值來決定元素的存儲位置，但同時又使用鏈表來維護元素的次序，這樣使得它看起來像是按照插入順序保存的。

LinkedHashSet 的使用與 Vector 相似。

集合與數組

集合和數組的轉換可以使用 toArray() 和 Arrays.asList() 來實現，請參考如下代碼示例：

List<String> list = new ArrayList();
list.add("cat");
list.add("dog");
// 集合轉數組
String[] arr = list.toArray(new String[list.size()]);
// 數組轉集合
List<String> list2 = Arrays.asList(arr);

集合與數組的區別，能夠參考「數組和排序算法的應用 + 面試題」的內容。

集合排序

在 Java 語言中排序提供了兩種方式：Comparable 和 Comparator，它們的區別也是常見的面試題之一。下面咱們完全地來了解一下 Comparable 和 Comparator 的使用與區別。

1）Comparable

Comparable 位於 java.lang 包下，是一個排序接口，也就是說若是一個類實現了 Comparable 接口，就意味着該類有了排序功能。

Comparable 接口只包含了一個函數，定義以下：

package java.lang;
import java.util.*;
public interface Comparable {
  public int compareTo(T o);
}

Comparable 使用示例，請參考如下代碼：

class ComparableTest {
    public static void main(String[] args) {
        Dog[] dogs = new Dog[]{
                new Dog("老旺財", 10),
                new Dog("小旺財", 3),
                new Dog("二旺財", 5),
        };
        // Comparable 排序
        Arrays.sort(dogs);
        for (Dog d : dogs) {
            System.out.println(d.getName() + "：" + d.getAge());
        }
    }
}
class Dog implements Comparable\<Dog\> {
    private String name;
    private int age;
    @Override
    public int compareTo(Dog o) {
        return age - o.age;
    }
    public Dog(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }
    public String getName() {
        return name;
    }
    public int getAge() {
        return age;
    }
}

程序執行結果：

小旺財：3
二旺財：5
老旺財：10

若是 Dog 類未實現 Comparable 執行代碼會報程序異常的信息，錯誤信息爲：

Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException: xxx cannot be cast to java.lang.Comparable

compareTo() 返回值有三種：

  • e1.compareTo(e2) > 0 即 e1 > e2；
  • e1.compareTo(e2) = 0 即 e1 = e2；
  • e1.compareTo(e2) < 0 即 e1 < e2。
2）Comparator

Comparator 是一個外部比較器，位於 java.util 包下，之因此說 Comparator 是一個外部比較器，是由於它無需在比較類中實現 Comparator 接口，而是要新建立一個比較器類來進行比較和排序。

Comparator 接口包含的主要方法爲 compare()，定義以下：

public interface Comparator\<T\> {
  int compare(T o1, T o2);
}

Comparator 使用示例，請參考如下代碼：

class ComparatorTest {
    public static void main(String[] args) {
        Dog[] dogs = new Dog[]{
                new Dog("老旺財", 10),
                new Dog("小旺財", 3),
                new Dog("二旺財", 5),
        };
        // Comparator 排序
        Arrays.sort(dogs,new DogComparator());
        for (Dog d : dogs) {
            System.out.println(d.getName() + "：" + d.getAge());
        }
    }
}
class DogComparator implements Comparator\<Dog\> {
    @Override
    public int compare(Dog o1, Dog o2) {
        return o1.getAge() - o2.getAge();
    }
}
class Dog {
    private String name;
    private int age;
    public Dog(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }
    public String getName() {
        return name;
    }
    public int getAge() {
        return age;
    }
}

程序執行結果：

小旺財：3
二旺財：5
老旺財：10

相關面試題

1.List 和 Set 有什麼區別？

答：區別分爲如下幾個方面：

  • List 容許有多個 null 值，Set 只容許有一個 null 值；
  • List 容許有重複元素，Set 不容許有重複元素；
  • List 能夠保證每一個元素的存儲順序，Set 沒法保證元素的存儲順序。
2.哪一種集合能夠實現自動排序？

答：TreeSet 集合實現了元素的自動排序，也就是說無需任何操做，便可實現元素的自動排序功能。

3.Vector 和 ArrayList 初始化大小和容量擴充有什麼區別？

答：Vector 和 ArrayList 的默認容量都爲 10，源碼以下。

Vector 默認容量源碼：

public Vector() {
    this(10);
}

ArrayList 默認容量源碼：

private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

Vector 容量擴充默認增長 1 倍，源碼以下：

private void grow(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + ((capacityIncrement > 0) ?
                                     capacityIncrement : oldCapacity);
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

其中 capacityIncrement 爲初始化 Vector 指定的，默認狀況爲 0。

ArrayList 容量擴充默認增長大概 0.5 倍（oldCapacity + (oldCapacity >> 1)），源碼以下（JDK 8）：

private void grow(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
4.Vector、ArrayList、LinkedList 有什麼區別？

答：這三者都是 List 的子類，所以功能比較類似，好比增長和刪除操做、查找元素等，但在性能、線程安全等方面表現卻又不相同，差別以下：

  • Vector 是 Java 早期提供的動態數組，它使用 synchronized 來保證線程安全，若是非線程安全須要不建議使用，畢竟線程同步是有性能開銷的；
  • ArrayList 是最經常使用的動態數組，自己並非線程安全的，所以性能要好不少，與 Vector 相似，它也是動態調整容量的，只不過 Vector 擴容時會增長 1 倍，而 ArrayList 會增長 50%；
  • LinkedList 是雙向鏈表集合，所以它不須要像上面兩種那樣調整容量，它也是非線程安全的集合。
5.Vector、ArrayList、LinkedList 使用場景有什麼區別？

答：Vector 和 ArrayList 的內部結構是以數組形式存儲的，所以很是適合隨機訪問，但非尾部的刪除或新增性能較差，好比咱們在中間插入一個元素，就須要把後續的全部元素都進行移動。

LinkedList 插入和刪除元素效率比較高，但隨機訪問性能會比以上兩個動態數組慢。

6.Collection 和 Collections 有什麼區別？

答：Collection 和 Collections 的區別以下：

  • Collection 是集合類的上級接口，繼承它的主要有 List 和 Set；
  • Collections 是針對集合類的一個幫助類，它提供了一些列的靜態方法實現，如 Collections.sort() 排序、Collections.reverse() 逆序等。
7.如下選項沒有繼承 Collection 接口的是？

A：List
B：Set
C：Map
D：HashSet

答：C

8.LinkedHashSet 如何保證有序和惟一性？

答：LinkedHashSet 底層數據結構由哈希表和鏈表組成，鏈表保證了元素的有序即存儲和取出一致，哈希表保證了元素的惟一性。

9.HashSet 是如何保證數據不可重複的？

答：HashSet 的底層其實就是 HashMap，只不過 HashSet 實現了 Set 接口而且把數據做爲 K 值，而 V 值一直使用一個相同的虛值來保存，咱們能夠看到源碼：

public boolean add(E e) {
    return map.put(e, PRESENT)==null;// 調用 HashMap 的 put 方法,PRESENT 是一個至始至終都相同的虛值
}

因爲 HashMap 的 K 值自己就不容許重複，而且在 HashMap 中若是 K/V 相同時，會用新的 V 覆蓋掉舊的 V，而後返回舊的 V，那麼在 HashSet 中執行這一句話始終會返回一個 false，致使插入失敗，這樣就保證了數據的不可重複性。

10.執行如下程序會輸出什麼結果？爲何？
Integer num = 10;
Integer num2 = 5;
System.out.println(num.compareTo(num2));

答：程序輸出的結果是 1，由於 Integer 默認實現了 compareTo 方法，定義了天然排序規則，因此當 num 比 num2 大時會返回 1，Integer 相關源碼以下：

public int compareTo(Integer anotherInteger) {
    return compare(this.value, anotherInteger.value);
}
public static int compare(int x, int y) {
    return (x < y) ? -1 : ((x == y) ? 0 : 1);
}
11.如何用程序實現後進先出的棧結構？

答：可使用集合中的 Stack 實現，Stack 是標準的後進先出的棧結構，使用 Stack 中的 pop() 方法返回棧頂元素並刪除該元素，示例代碼以下。

Stack stack = new Stack();
stack.push("a");
stack.push("b");
stack.push("c");
for (int i = 0; i < 3; i++) {
    // 移除並返回棧頂元素
    System.out.print(stack.pop() + " ");
}

程序執行結果：c b a

12.LinkedList 中的 peek() 和 poll() 有什麼區別？

答：peek() 方法返回第一個元素，但不刪除當前元素，當元素不存在時返回 null；poll() 方法返回第一個元素並刪除此元素，當元素不存在時返回 null。

13.Comparable 和 Comparator 有哪些區別？

答：Comparable 和 Comparator 的主要區別以下：

  • Comparable 位於 java.lang 包下，而 Comparator 位於 java.util 包下；
  • Comparable 在排序類的內部實現，而 Comparator 在排序類的外部實現；
  • Comparable 須要重寫 CompareTo() 方法，而 Comparator 須要重寫 Compare() 方法；
  • Comparator 在類的外部實現，更加靈活和方便。

總結

本文介紹的集合都實現自 Collection，所以它們都有一樣的操做方法，如 add()、addAll()、remove() 等，Collection 接口的方法列表以下圖：

固然部分集合也在原有方法上擴充了本身特有的方法，如 LinkedList 的 offer()、push() 等方法。本文也提供了數組和集合互轉方法，List.toArray() 把集合轉換爲數組，Arrays.asList(array) 把數組轉換爲集合。最後介紹了 Comparable 和 Comparator 的使用和區別，Comparable 和 Comparator 是 Java 語言排序提供的兩種排序方式，Comparable 位於 java.lang 包下，若是一個類實現了 Comparable 接口，就意味着該類有了排序功能；而 Comparator 位於 java.util 包下，是一個外部比較器，它無需在比較類中實現 Comparator 接口，而是要新建立一個比較器類來進行比較和排序。

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