集合详解之 Collection

先来看看集合的继承关系图,如下图所示:

enter image description here

其中:

  • 外框为虚线的表示接口,边框为实线的表示类;
  • 箭头为虚线的表示实现了接口,箭头为实线的表示继承了类。

为了方便理解,我隐藏了一些与本文内容无关的信息,隐藏的这些内容会在后面的章节中进行详细地介绍。

从图中可以看出,集合的根节点是 Collection,而 Collection 下又提供了两大常用集合,分别是:

  • List:使用最多的有序集合,提供方便的新增、修改、删除的操作;
  • Set:集合不允许有重复的元素,在许多需要保证元素唯一性的场景中使用。

下面我们分别对集合类进行详细地介绍。

集合使用

1)Vector

Vector 是 Java 早期提供的线程安全的有序集合,如果不需要线程安全,不建议使用此集合,毕竟同步是有线程开销的。

使用示例代码:

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

程序执行结果:[dog]

2)ArrayList

ArrayList 是最常见的非线程安全的有序集合,因为内部是数组存储的,所以随机访问效率很高,但非尾部的插入和删除性能较低,如果在中间插入元素,之后的所有元素都要后移。ArrayList 的使用与 Vector 类似。

3)LinkedList

LinkedList 是使用双向链表数据结构实现的,因此增加和删除效率比较高,而随机访问效率较差。

LinkedList 除了包含以上两个类的操作方法之外,还新增了几个操作方法,如 offer() 、peek() 等,具体详情,请参考以下代码:

LinkedList linkedList = new LinkedList();
// 添加元素
linkedList.offer("bird");
linkedList.push("cat");
linkedList.push("dog");
// 获取第一个元素
System.out.println(linkedList.peek());
// 获取第一个元素,并删除此元素
System.out.println(linkedList.poll());
System.out.println(linkedList);

程序的执行结果:

dog
dog
[cat, bird]

4)HashSet

HashSet 是一个没有重复元素的集合。虽然它是 Set 集合的子类,实际却为 HashMap 的实例,相关源码如下:

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

因此 HashSet 是无序集合,没有办法保证元素的顺序性。

HashSet 默认容量为 16,每次扩充 0.75 倍,相关源码如下:

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

HashSet 的使用与 Vector 类似。

5)TreeSet

TreeSet 集合实现了自动排序,也就是说 TreeSet 会把你插入数据进行自动排序。

示例代码如下:

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

程序执行结果:[ant, camel, cat, dog]

可以看出,TreeSet 的使用与 Vector 类似,只是实现了自动排序。

6)LinkedHashSet

LinkedHashSet 是按照元素的 hashCode 值来决定元素的存储位置,但同时又使用链表来维护元素的次序,这样使得它看起来像是按照插入顺序保存的。

LinkedHashSet 的使用与 Vector 类似。

集合与数组

集合和数组的转换可使用 toArray() 和 Arrays.asList() 来实现,请参考以下代码示例:

List<String> list = new ArrayList();
list.add("cat");
list.add("dog");
// 集合转数组
String[] arr = list.toArray(new String[list.size()]);
// 数组转集合
List<String> list2 = Arrays.asList(arr);

集合与数组的区别,可以参考「数组和排序算法的应用 + 面试题」的内容。

集合排序

在 Java 语言中排序提供了两种方式:Comparable 和 Comparator,它们的区别也是常见的面试题之一。下面我们彻底地来了解一下 Comparable 和 Comparator 的使用与区别。

1)Comparable

Comparable 位于 java.lang 包下,是一个排序接口,也就是说如果一个类实现了 Comparable 接口,就意味着该类有了排序功能。

Comparable 接口只包含了一个函数,定义如下:

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

Comparable 使用示例,请参考以下代码:

class ComparableTest {
    public static void main(String[] args) {
        Dog[] dogs = new Dog[]{
                new Dog("老旺财", 10),
                new Dog("小旺财", 3),
                new Dog("二旺财", 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;
    }
}

程序执行结果:

小旺财:3
二旺财:5
老旺财:10

如果 Dog 类未实现 Comparable 执行代码会报程序异常的信息,错误信息为:

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

compareTo() 返回值有三种:

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

2)Comparator

Comparator 是一个外部比较器,位于 java.util 包下,之所以说 Comparator 是一个外部比较器,是因为它无需在比较类中实现 Comparator 接口,而是要新创建一个比较器类来进行比较和排序。

Comparator 接口包含的主要方法为 compare(),定义如下:

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

Comparator 使用示例,请参考以下代码:

class ComparatorTest {
    public static void main(String[] args) {
        Dog[] dogs = new Dog[]{
                new Dog("老旺财", 10),
                new Dog("小旺财", 3),
                new Dog("二旺财", 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;
    }
}

程序执行结果:

小旺财:3
二旺财:5
老旺财:10

总结

本文介绍的集合都实现自 Collection,因此它们都有同样的操作方法,如 add()、addAll()、remove() 等,Collection 接口的方法列表如下图:

img

当然部分集合也在原有方法上扩充了自己特有的方法,如 LinkedList 的 offer()、push() 等方法。本文也提供了数组和集合互转方法,List.toArray() 把集合转换为数组,Arrays.asList(array) 把数组转换为集合。最后介绍了 Comparable 和 Comparator 的使用和区别,Comparable 和 Comparator 是 Java 语言排序提供的两种排序方式,Comparable 位于 java.lang 包下,如果一个类实现了 Comparable 接口,就意味着该类有了排序功能;而 Comparator 位于 java.util 包下,是一个外部比较器,它无需在比较类中实现 Comparator 接口,而是要新创建一个比较器类来进行比较和排序。

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