Java 集合框架详谈及代码分析（Iterable-＞Collection-＞List、Set-＞各接口实现类、Map-＞各接口实现类）

Java 集合框架详谈及代码分析（Iterable->Collection->List、Set->各接口实现类、Map->各接口实现类）

1、集合概述

1-1：Java 集合概述

   Java 集合框架包括一组接口和类，核心接口包括 Collection、List、Set 和 Map，它们定义了不同类型的集合操作和行为。

   如图：List 和 Set 这两个集合接口都继承了 Collection 接口，而 Map 独立于 Collection 接口，用于存储键值对。

简单在IDEA工具上展示常用集合的继承关系：

List 接口的主要实现类：ArrayList、LinkedList、Vector；
Set 接口的主要实现类：HashSet、LinkedHashSet、TreeSet；
Map 接口的主要实现类：HashMap、ConcurrentHashMap、TreeMap、HashTable；

1-2：List、Set、Map 三者的区别？

   List：存储的元素是有序的、可重复的。
   Set：存储的元素是无序的、不可重复的。
   Map：使用键值对（key-value）进行存储，key 是唯一的、无序的、不可重复的，value 是无序的、可重复的，每个键（key）最多映射到一个值（value）。

1-3：集合框架底层数据结构分析

散列表，又叫哈希表，里面的元素是无序存储的，而链表和红黑树则是有序的。

Collection 接口下的集合：

1-3-1：List 接口

List 接口下的实现类的底层数据结构

ArrayList：底层的数据结构是 Object[] 数组

Vector：底层的数据结构是 Object[] 数组

LinkedList：底层的数据结构是 双向链表

1-3-2：Set 接口

HashSet（元素是 无序、唯一）：

   基于 HashMap 实现的，底层采用 HashMap 来保存元素。

LinkedHashSet：（元素是 有序、唯一）

   LinkedHashSet 是 HashSet 的子类，其内部是通过 LinkedHashMap 来实现的。

一些源代码：

TreeSet（元素是 有序、唯一）：

   底层是基于红黑树实现的（自平衡的排序二叉树）

1-3-3：Map 接口

key 是唯一的，value是 可重复的。

HashMap ：元素是 无序存储的

   JDK1.8 之前，HashMap 是由 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（通过“拉链法”解决冲突）；

   JDK1.8 之后，在解决哈希冲突时有了较大的变化，当链表长度大于阈值（默认是 8 ）时，会将链表转化为红黑树，以减少搜索时间。

   注意：在将链表转成红黑树之前会进行判断，如果当前数组的长度小于 64 ，那么会先进行数组扩容，而不是直接转换成红黑树，只有数组长度达到或超过 64 时，才会转成红黑树。
HashMap 数组扩容时，会将数组的容量扩充为原先的一倍，并重新分配现有的键值对到新的数组中。

LinkedHashMap：元素是 有序存储的

   LinkedHashMap 继承自 HashMap ，所以他的底层仍然是基于拉链式散列结构，即由数组+链表/红黑树组成。
   并且在这个数据结构的基础上，增加了一条 双向链表 ，作用是可以维护键值对（元素）的插入顺序和访问顺序。

   访问顺序：每次通过 get、put 等方法访问该集合里面的元素时，该元素会被移动到链表的末尾，同理，较少访问到的元素则会位于链表的头部。

HashTable：元素是 无序存储的

   数组 + 链表组成的，数组是 HashMap 的主体，链表则是为了解决哈希冲突而存在的。

   HashTable 基本不怎么用了，都是由 HashMap 来代替。

TreeMap：元素是 有序存储的

   基于红黑树（自平衡的排序二叉树）实现的。

1-4：如何选用集合？

需要根据键（key）获取到元素值时，就选用 Map 接口下的集合：
   存储元素需要排序时，选择 TreeMap ；
   存储元素不需要排序时，选择 HashMap ；
   元素需要保证线程安全，选择 ConcurrentHashMap ；

当我们只需要存放元素值时，就选择实现 Collection 接口的集合（List、Set）：
   需要保证元素唯一时，选择实现了 Set 接口的集合：TreeSet 或 HashSet ；
   不需要保证元素唯一，选择实现 List 接口的集合：ArrayList 或 LinkedList ；

1-5：Iterator 迭代器

迭代器 Iterator 是什么？

   迭代器也是设计模式的一种，叫做 迭代器模式。

源码是这样的：

简单使用迭代器

遍历 List 集合

   优点：如果在迭代器遍历该list集合期间，有其他线程修改了集合中的元素值，那么迭代器就会报错：ConcurrentModificationException

   注意点：如果通过迭代器遍历完了，因为业务需求，需要再遍历一次，就只能再通过 list.iterator(); 再一次获取迭代器来遍历。

代码：

//Java集合演示类
public class JavaCollections {public static void main(String[] args) {List<String> list = List.of("aa", "bb", "cc", "dd");//创建迭代器：从list集合中获取一个可以用来遍历元素的迭代器对象Iterator<String> iterator = list.iterator();//使用迭代器遍历list集合中的元素String next = iterator.next();System.out.println(next);//用hasNext方法，根据迭代器里面的游标位置，来判断集合中是否还有元素，有的话返回truewhile (iterator.hasNext()){System.err.println(iterator.next());}//上面遍历后，游标已经移动到最后一个元素的位置了，所以再用 next() 方法判断集合中还有没有下一个元素时，发现已经没有元素了，直接抛异常。//元素不存在抛出的异常--NoSuchElementExceptionString n = iterator.next();System.out.println(n);}
}

遍历 Map 集合

简单演示下用 Iterator 迭代器遍历 Map 集合。

   如图，源码中，因为 Iterator 迭代器是由 Iterable 接口提供的，而 Collection 接口继承了 Iterable 接口，而 List 接口 和 Set 接口又继承了 Collection 接口，所以 List 和 Set 集合可以使用迭代器，但是 Map 就不行了，因为 Map 并不是继承 Iterable 接口。

   所以当我们要用迭代器去遍历 HashMap 集合时，需要先把 HashMap 集合通过 entrySet() 方法转换成映射 Set 集合。

如图：迭代器遍历 HashMap 代码实现

代码：

//Java集合演示类
public class JavaCollections {public static void main(String[] args) {HashMap<String, String> hashMap = new HashMap<>();hashMap.put("小明","10");hashMap.put("小白","20");hashMap.put("小黑","30");hashMap.put("小黄","40");hashMap.put("小蓝","50");//{小明=10, 小白=20, 小蓝=50, 小黑=30, 小黄=40}System.out.println("hashMap ==> " + hashMap);//HashMap 并不能直接进行for循环，只能这样hashMap.forEach(new BiConsumer<String, String>() {@Overridepublic void accept(String s, String s2) {System.out.println(s + "--->" +s2);}});//entrySet() -- 将 HashMap 中所有的键值对映射成一个 set 集合Set<Map.Entry<String, String>> entrySet = hashMap.entrySet();//打印结果：[小明=10, 小白=20, 小蓝=50, 小黑=30, 小黄=40]System.out.println("entrySet ===> "+entrySet);//将 HashMap 映射成set集合后，才能用 Iterator 迭代器进行遍历Iterator<Map.Entry<String, String>> iteratorMap = entrySet.iterator();//迭代器遍历while(iteratorMap.hasNext()){System.err.println(iteratorMap.next());}}
}

小总结：

   Iterator 对象称为迭代器，是设计模式中的一种，迭代器可以对集合进行遍历，它的特点是更加安全，因为它可以确保，在遍历当前集合元素期间，如果元素被其他线程更改到，会抛出 ConcurrentModificationException 异常。

1-6：线程安全和不安全的集合介绍

ArrayList、LinkedList、HashMap、TreeSet、TreeMap 都是线程不安全的。

如果要使用线程安全的集合，下面是一些替代关系：

   1、ConcurrentHashMap： 可以看作是线程安全的 HashMap；

   2、CopyOnWriteArrayList：可以看作是线程安全的 ArrayList ；
     在读多写少的场合性能⾮常好，远远好于 Vector .

   3、ConcurrentLinkedQueue： 可以看做⼀个线程安全的 LinkedList；

     ConcurrentLinkedQueue 是高效的并发队列，使用链表实现，是一个非阻塞队列。

   4、ConcurrentSkipListMap：跳表的实现，这是一个 Map，使用 跳表 的数据结构进行快速查找。

2、List 接口集合分析

2-1：ArrayList 和 Vector 的区别？

   1、ArrayList 是 List 的主要实现类，底层使用 Object[] 数组进行元素存储，适用于频繁的查找工作，线程不安全；

   2、Vector 是 List 的古老实现类，底层使用 Object[] 数组进行元素存储，线程是安全的。

2-2：ArrayList 和 LinkedList 的区别？

1、线程安全方面：
   ArrayList 和 LinkedList 都是不同步的，也就是 线程都是不安全的。
（同步是指多个线程之间协调执行的机制。
比如多个线程同时修改这个集合，因为不是同步的，可能就导致数据操作不是原子性的，会出现数据不一致的问题）

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 的数据结构；

3、是否支持快速随机访问：
   快速随机访问就是通过元素的序号快速获取元素的对象，也就是 get(int index) 方法。

   ArrayList 支持；LinkedList 不支持。

4、内存空间占用问题：
   ArrayList 主要是在 List 列表的结尾会预留一定的容量空间；
   LinkedList 主要是每个元素都需要消耗比 ArrayList 更多的空间
  （LinkedList 的每个元素的前后都需要占据4个字节的空间，然后本身元素也要占据 4个字节的空间）

2-3：双向链表和双向循环链表 --> 图解

3、Set 接口集合分析

3-1：comparable 和 Comparator 的区别

   comparable 接口有一个 compareTo 方法来对集合进行排序；
   Comparator 接口有一个 compare 方法来对集合进行排序。

3-1-1：Comparator 定制排序

   Comparator 的 compare 方法实现了逆序排序（从大到小）

代码：

//Java集合演示类
public class JavaCollections02 {public static void main(String[] args) {ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<>();arrayList.add(-1);arrayList.add(0);arrayList.add(-3);arrayList.add(2);arrayList.add(5);arrayList.add(5);arrayList.add(30);arrayList.add(8);System.err.println("原始数组：" + arrayList);//Collections是一个工具类，提供一系列方法来操作集合 ，  .reverse() 方法可以反转集合中的元素的位置
//        Collections.reverse(arrayList);
//        System.err.println("Collections.reverse(arrayList) 反转集合中元素的位置 -->" + arrayList);//        //.sort() 升序排序集合中的元素
//        Collections.sort(arrayList);
//        System.err.println("Collections.sort(arrayList) 升序排序集合中的元素 -->" + arrayList);//定制排序的用法：元素位置逆序排序Collections.sort(arrayList, new Comparator<Integer>() {@Overridepublic int compare(Integer o1, Integer o2) {System.err.println("o1 = "+o1 +" <==> o2 = "+ o2);//o2.compareTo(o1) 会返回正整数、零或负整数，分别表示 o2 大于、等于或小于 o1。int num = o2.compareTo(o1);System.err.println("o1和o2大小对比结果： -->  num = " + num +" 表示 : "+ ((num>0) ? "o2 > o1":((num==0 ? "o2 == o1":"o2 < o1"))));return num;}});System.err.println("定制排序后，元素位置反转：-->" + arrayList);}
}

3-2：无序性和不可重复性的含义

无序性：

   无序性不等于随机性，无序性是指存储的数据元素在底层数组中，并非按照数组索引的顺序添加的，而是根据数据的哈希值决定的。

不可重复性：

   不可重复性是指添加的元素按照 equals() 判断时，返回 false，需要同时重写 equals() 方法和 HashCode() 方法。

3-3：HashSet、LinkedHashSet 和 TreeSet 三者的区别

   HashSet：是 Set 接口的主要实现类，HashSet 的底层是 HashMap，线程是不安全的，可以存储 null 值。

   LinkedHashSet：是 HashSet 的子类，能够按照添加的顺序遍历。

   TreeSet：底层是使用红黑树，能够按照添加元素的顺序进行遍历，排序的方式有自然排序和定制排序（通过 Comparator 的 compare 方法来定制排序）。

4、Map 接口集合分析

4-1：HashMap 和 Hashtable 的区别

1、线程是否安全：
   HashMap 是线程不安全的；HashTable 是线程安全的，因为 HashTable 内部的方法基本都经过 synchronized 关键字修饰过。
   如果要保证线程安全的话，就直接使用 ConcurrentHashMap

2、效率：
   因为线程安全问题，所以 HashMap 效率要比 HashTable 高一点。
   另外，HashTable 基本被淘汰了，尽量不适用它。

3、对 Null Key 和 Null Value 的支持：
   HashMap 可以存储 null 的 key 和 value，但是 null 作为 key 只能有一个，null 作为值可以有多个；
   HashTable 不允许有null key 和 null 值，否则会报错。

4、初始容量大小和每次扩充容量大小的不同：
   创建时如果不指定初始容量值，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。而 HashTable 默认的初始化大小为 11，之后每次扩充，容量变为原来的 2n+1。

   创建时如果设置了初始容量值，那么 HashMap 会将其扩充为 2 的幂次方大小，也就是说 HashMap 总是使用 2 的幂作为哈希表的大小。而 HashTable 会直接使用我们给定的初始容量值。

   比如我给 HashMap 的初始容量值时 8，HashMap 在内部会将这个值调整为比 8 大且最接近 8 的一个 2 的幂次方，那么扩充为 2 的幂次方大小就是：16，也就是扩充为原来容量的两倍。

   示例：8 是 2 ^ 3 ，那么比8大且最接近，就是 2 ^ 4 ，就是16
      如果我设置为 20 ，那么比 20 大又最接近的就是 2 ^ 5 = 32

问题：初始容量设置为 20 ，根据 2 的幂次方来扩充，选择的是 32 ，也不是原来的两倍呀。

解答：对于 HashMap 来说，在进行扩容时，并不是严格按照原来容量的两倍进行扩容的，当 HashMap 中的元素数量达到当前容量与负载因子的乘积时（默认负载因子为 0.75），HashMap 就会进行扩容操作。
   在设置初始容量为 20 的情况下，HashMap 首先会找到大于等于 20 的最小的 2 的幂，即 32，作为初始容量。
   当 HashMap 中元素数量达到 32 * 0.75 = 24 时，HashMap 将进行扩容操作，将容量扩大为 32 的两倍，即 64。

注意：初始容量的设置只会在一开始时，通过 2 的幂次方进行调整，调整为不小于指定初始容量的最接近的 2 的幂次方大小。
而在后续扩容过程中，HashMap 会将当前容量直接扩容为两倍，从而保持容量始终为 2 的幂次方。

5、底层数据结构：
   HashMap 的底层数据结构是：数组+链表+红黑树
   JDK1.8 之后的 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（默认是 8 ）时，会将链表转化为红黑树，以减少搜索时间。

   注意：在将链表转成红黑树之前会进行判断，如果当前数组的长度小于 64 ，那么会先进行数组扩容，而不是直接转换成红黑树，只有数组长度达到或超过 64 时，才会转成红黑树。

   HashMap 数组扩容时，会将数组的容量扩充为原先的一倍，并重新分配现有的键值对到新的数组中。

   HashTable 的底层数据结构是：数组+链表，但是没有转成红黑树的机制

4-2：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。

4-3：HashMap 和 TreeMap 区别

   TreeMap 和 HashMap 都继承自 AbstractMap ，但是需要注意的是 TreeMap 它还实现了NavigableMap 接口和 SortedMap 接口。

   实现 NavigableMap 接口让 TreeMap 有了对集合内元素的搜索的能力。
   实现 SortMap 接口让 TreeMap 有了对集合中的元素根据键排序的能力，默认是按 key 的升序排序，不过我们也可以指定排序的比较器（使用 Comparator 接口的 compare 方法）。

   示例代码如下：

如图可以看出，TreeMap 中的元素已经是按照 People 的 age 字段的升序来排列了。

相比于 HashMap 来说， TreeMap 主要多了对集合中的元素根据键（key）排序的能力以及对集合内元素
的搜索的能力。

上面是通过传⼊匿名内部类的方式实现的，可以将代码替换成 Lambda 表达式实现的⽅式：

TreeMap 的继承关系图例：

代码：

package cn.ljh.mytest;import java.util.Comparator;
import java.util.TreeMap;
import java.util.function.BiConsumer;/*** @author JH  2024-06*/
//演示通过实现了 SortMap 接口的 TreeMap ，来自定义排序的比较器
public class People {//字段-年龄private Integer age;//构造器public People(Integer age) { this.age = age; }//get方法public Integer getAge() { return age; }public static void main(String[] args) {//创建 TreeMap 集合对象，使用匿名内部类实现自定义排序的比较器//Comparator 接口要求实现一个 compare 方法，用来比较两个 People 对象的 ageTreeMap<People, String> treeMap = new TreeMap<>(new Comparator<People>() {@Overridepublic int compare(People p1, People p2) {//计算 p1 对象和 p2 对象的 年龄差int ageNum = p1.getAge() - p2.getAge();/** return Integer.compare(ageNum, 0); 使用 Integer.compare 方法比较 ageNum 和 0。*     如果 ageNum 小于 0，则返回负数（表示 p1 的年龄 < p2 的年龄）。*     如果 ageNum 等于 0，则返回 0（表示 p1 和 p2 的年龄相同）。*     如果 ageNum 大于 0，则返回正数（表示 p1 的年龄 > p2 的年龄）。** 在 TreeMap 中插入和检索元素时，键（People 对象）将按照其年龄进行 --> 升序排列*///按 key 进行升序排序return Integer.compare(ageNum, 0);}});treeMap.put(new People(10), "小明 10 岁");treeMap.put(new People(50), "小红 50 岁");treeMap.put(new People(30), "小白 30 岁");treeMap.put(new People(80), "小黑 80 岁");//直接打印看顺序System.err.println(treeMap);//遍历方式1：treeMap.forEach(new BiConsumer<People, String>() {@Overridepublic void accept(People people, String s) {System.err.println(people.age+" ===> " + s);}});//遍历方式2：//此时打印出来的数据，就是根据 age 升序排序出来的treeMap.entrySet().stream().forEach(peopleStringEntry -> System.out.println(peopleStringEntry.getValue()));}
}

4-4：HashSet 如何检查重复

   当我们通过 .add() 方法把对象加入 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。

hashCode() 与 equals() 的相关规定：

1、如果两个对象相等，则 hashcode ⼀定也是相同的；
2、两个对象相等，通过 equals 方法对比会返回 true，如：a.equals(b) ==> true
3、两个对象有相同的 hashcode 值，它们也不⼀定是相等的。
4、综上，equals 方法被覆盖过，则 hashCode 方法也必须被覆盖
5、hashCode() 的默认行为是对堆上的对象产生独特值。如果没有重写 hashCode()，则该 class 的两个对象无论如何都不会相等（即使这两个对象指向相同的数据）

== 与 equals 的区别

对于基本数据类型来说，== 比较的是两个值是否相等；

对于引用数据类型来说，== 比较的是两个对象的内存地址。

equals() ：判断两个对象是否相等。
没重写前，功能等价于 == ，比较的是地址是否相等；
重写后，就是判断两个对象的内容（地址里的内容）是否相等。

String 的 equals 是重写过的，Object 的 equals 方法比较的是对象的内存地址。

4-5：ConcurrentHashMap 和 Hashtable 的区别

   ConcurrentHashMap 和 Hashtable 的区别主要体现在实现线程安全的方式上不同。

1、底层数据结构：
ConcurrentHashMap：数组+链表/红⿊⼆叉树

Hashtable：数组+链表

2、实现线程安全的方式：
ConcurrentHashMap：
JDK1.7–> 采用分段锁 技术；
JDK1.8 之后，采用 Node 数组+链表+红黑树 的数据结构，并发控制 采用 synchronized 和 CAS 来实现。

Hashtable ：使用 synchronized 实现线程安全。

5、注意事项：

不要在 foreach 循环里进行元素的 remove / add 操作

如果要在循环里面删除和添加元素，要使用 Iterator 方式，如果是并发操作，需要对Iterator 对象加锁。

代码示例：

没使用 Iterator 的 remove 方法来在循环里面删除元素，则会报 ConcurrentModificationException 修改异常。

public class JavaCollections04 {public static void main(String[] args) {ArrayList<String> arrayList = new ArrayList<>();arrayList.add("1");arrayList.add("2");arrayList.add("3");arrayList.add("4");System.err.println("原始集合数据 ==> "+arrayList);//正确删除元素Iterator<String> iterator = arrayList.iterator();while (iterator.hasNext()){String item = iterator.next();if ("1".equals(item)){iterator.remove();}}System.err.println("iterator.remove() 删除 1 ==> "+arrayList);//错误删除元素for (String s : arrayList) {if ("2".equals(s)){arrayList.remove(s);}}System.err.println("arrayList.remove(s) 删除 2 ==> "+arrayList);}
}