Java基础知识回顾之四 ----- 集合List、Map和Set

前言

在上一篇中回顾了Java的三大特性：封装、继承和多态。本篇则来介绍下集合。

集合介绍

我们在进行Java程序开发的时候，除了最常用的基础数据类型和String对象外，也经常会用到集合相关类。
集合类存放的都是对象的引用，而非对象本身，出于表达上的便利，我们称集合中的对象就是指集合中对象的引用。
集合类型主要有3种：List、Set、和Map。
它们之间的关系可用下图来表示:

注:Map不是collections的子类，但是它们完全整合在集合中了！

List

List 接口是继承于 Collection接口并定义 一个允许重复项的有序集合。该接口不但能够对列表的一部分进行处理，还添加了面向位置的操作。

一般来说，我们在单线程中主要使用的List是ArrayList和LinkedList来实现，多线程则是使用Vector或者使用Collections.sychronizedList来装饰一个集合。
这三个的解释如下:

• ArrayList：内部是通过数组实现的，它允许对元素进行快随机访问。当从ArrayList的中间位置插入或者删除元素时，需要对数组进行复制、移动、代价比较高。因此，它适合随机查找和遍历，不适合插入和删除。
• LinkedList: 则是链表结构存储数据的，很适合数据的动态插入和删除，随机访问和遍历速度比较慢。另外，他还提供了List接口中没有定义的方法，专门用于操作表头和表尾元素，可以当作堆栈、队列和双向队列使用。
• Vector: 通过数组实现的，不同的是它支持线程的同步。访问速度ArrayList慢。

它们的用法如下:

List list1 = new ArrayList();
List list2 = new LinkedList();
List list3 = new Vector();
List list4=Collections.synchronizedList(new ArrayList())

在了解了它们的用法之后，我们来看看为什么说使用ArrayList比LinkedList查询快，使用LinkedList比ArrayList新增和删除快!
这里也用以下代码来进行说明，顺便也将Vector进行比较。

代码示例:

private final static int count=50000;

private static ArrayList arrayList = new ArrayList<>();
private static LinkedList linkedList = new LinkedList<>();
private static Vector vector = new Vector<>();

public static void main(String[] args) {
insertList(arrayList);
insertList(linkedList);
insertList(vector);

System.out.println("--------------------");

readList(arrayList);
readList(linkedList);
readList(vector);

System.out.println("--------------------");

delList(arrayList);
delList(linkedList);
delList(vector);
}

private  static void insertList(List list){
long start=System.currentTimeMillis();
Object o = new Object();
for(int i=0;i<count;i++){
list.add(0, o);
}
System.out.println(getName(list)+"插入"+count+"条数据，耗时:"+(System.currentTimeMillis()-start)+"ms");
}

private  static void readList(List list){
long start=System.currentTimeMillis();
Object o = new Object();
for(int i = 0 ; i < count ; i++){
list.get(i);
}
System.out.println(getName(list)+"查询"+count+"条数据，耗时:"+(System.currentTimeMillis()-start)+"ms");
}

private  static void delList(List list){
long start=System.currentTimeMillis();
Object o = new Object();
for(int i = 0 ; i < count ; i++){
list.remove(0);
}
System.out.println(getName(list)+"删除"+count+"条数据，耗时:"+(System.currentTimeMillis()-start)+"ms");
}

private static String getName(List list) {
String name = "";
if(list instanceof ArrayList){
name = "ArrayList";
}
else if(list instanceof LinkedList){
name = "LinkedList";
}
else if(list instanceof Vector){
name = "Vector";
}
return name;
}

输出结果:

ArrayList插入50000条数据，耗时:281ms
LinkedList插入50000条数据，耗时:2ms
Vector插入50000条数据，耗时:274ms
--------------------
ArrayList查询50000条数据，耗时:1ms
LinkedList查询50000条数据，耗时:1060ms
Vector查询50000条数据，耗时:2ms
--------------------
ArrayList删除50000条数据，耗时:143ms
LinkedList删除50000条数据，耗时:1ms
Vector删除50000条数据，耗时:137ms

从上述结果中，可以明显看出ArrayList和LinkedList在新增、删除和查询性能上的区别。

在集合中，我们一般用于存储数据。不过有时在有多个集合的时候，我们想将这几个集合做合集、交集、差集和并集的操作。在List中，这些方法已经封装好了，我们无需在进行编写相应的代码，直接拿来使用就行。
代码示例如下:

/**
* 合集
* @param ls1
* @param ls2
* @return
*/
private static List<String> addAll(List<String> ls1,List<String>ls2){
ls1.addAll(ls2);
return ls1;
}

/**
* 交集 （retainAll 会删除 ls1在ls2中没有的元素）
* @param ls1
* @param ls2
* @return
*/
private static List<String> retainAll(List<String> ls1,List<String>ls2){
ls1.retainAll(ls2);
return ls1;
}

/**
* 差集 (删除ls2中没有ls1中的元素)
* @param ls1
* @param ls2
* @return
*/
private static List<String> removeAll(List<String> ls1,List<String>ls2){
ls1.removeAll(ls2);
return ls1;
}

/**
* 无重复的并集 (ls1和ls2中并集，并无重复)
* @param ls1
* @param ls2
* @return
*/
private static List<String> andAll(List<String> ls1,List<String>ls2){
//删除在ls1中出现的元素
ls2.removeAll(ls1);
//将剩余的ls2中的元素添加到ls1中
ls1.addAll(ls2);
return ls1;
}

当然，经常用到的还有对List进行遍历。
List数组遍历主要有这三种方法，普通的for循环，增强for循环(jdk1.5之后出现)，和Iterator(迭代器)。

代码示例:

List<String> list=new ArrayList<String>();
list.add("a");
list.add("b");
list.add("c");

for(int i=0;i<list.size();i++){
System.out.println(list.get(i));
}

for (String str : list) {
System.out.println(str);
}

Iterator<String> iterator=list.iterator();
while(iterator.hasNext())
{
System.out.println(iterator.next());
}

说明:普通的for循环和增强for循环区别不大，主要区别在于普通的for循环可以获取集合的下标，而增强for循环则不可以。但增强for循环写起来方法，如果不需要获取具体集合的下标，推荐使用增强for循环。至于Iterator(迭代器）这种也是无法获取数据下标，但是该方法可以不用担心在遍历的过程中会集合的长度发生改变。也就是在遍历的时候对集合进行增加和删除。

在<阿里巴巴Java开发手册>中，对于集合操作也有这种说明。

不要在 foreach 循环里进行元素的 remove / add 操作。 remove 元素请使用Iterator方式，如果并发操作，需要对 Iterator 对象加锁。

那么为什么不要使用 foreach 循环进行元素的 remove / add 操作呢?
我们这里可以简单的做下验证。

代码示例:

List<String> list = new ArrayList<String>();
list.add("1");
list.add("2");
System.out.println("list遍历之前:"+list);
for (String item : list) {
if ("2".equals(item)) {
list.remove(item);
//如果这里不适用break的话，会直接报错的
break;
}
}
System.out.println("list遍历之后:"+list);

List<String> list1 = new ArrayList<String>();
list1.add("1");
list1.add("2");
System.out.println("list1遍历之前:"+list1);
Iterator<String> iterator = list1.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
String item = iterator.next();
if ("2".equals(item)) {
iterator.remove();
}
}
System.out.println("list1遍历之后:"+list1);

输出结果:

list遍历之前:[1, 2]
list遍历之后:[1]
list1遍历之前:[1, 2]
list1遍历之后:[1]

注意:上述代码中，在对list进行for循环遍历的时候，加了break，

上述示例中，都正确的打印我们想要的数据，不过在foreach循环中，我在其中是加上了break。如果不加break，就会直接抛出ConcurrentModificationException异常！

Map

Map 接口并不是 Collection 接口的继承。Map提供key到value的映射。一个Map中不能包含相同的key，每个key只能映射一个value。Map接口提供3种集合的视图，Map的内容可以被当作一组key集合，一组value集合，或者一组key-value映射。

Map接口主要由HashMap、TreeMap、LinkedHashMap、Hashtable和ConcurrentHashMap这几个类实现。
它们的解释如下:

• HashMap: HashMap的键是根据HashCode来获取，所以根据键可以很快的获取相应的值。不过它的键对象是不可以重复的，它允许键为Null，但是最多只能有一条记录，不过却是可以允许多条记录的值为Null。因为HashMap是非线程安全的，所以它的效率很高。
• TreeMap:可以将保存的记录根据键进行排序，默认是按键值的升序排序（自然顺序）。也可以指定排序的比较器，当用Iterator遍历TreeMap时，得到的记录是排过序的。它也是不允许key值为空，并且不是线程安全的。
• LinkedHashMap:LinkedHashMap基本和HashMap一致。不过区别在与LinkedHashMap是维护一个双链表，可以将里面的数据按写入 的顺序读出。可以认为LinkedHashMap是HashMap+LinkedList。即它既使用HashMap操作数据结构，又使用LinkedList维护插入元素的先后顺序。它也不是线程安全的。
• Hashtable:Hashtable与HashMap类似，可以说是HashMap的线程安全版。不过它是不允许记录的键或者值为null。因为它支持线程的同步，是线程安全的，所以也导致了Hashtale在效率较低。
• ConcurrentHashMap: ConcurrentHashMap在Java 1.5作为Hashtable的替代选择新引入的。使用锁分段技术技术来保证线程安全的，可以看作是Hashtable的升级版。

在工作中，我们使用得最多的Map应该是HashMap。不过有时在使用Map的时候，需要进行自然顺序排序。这里我们就可以使用TreeMap，而不必自己实现这个功能。TreeMap的使用和HashMap差不多。不过需要注意的是TreeMap是不允许key为null。 这里简单的介绍下TreeMap的使用。

代码示例:

Map<String,Object> hashMap=new HashMap<String,Object>();
hashMap.put("a", 1);
hashMap.put("c", 3);
hashMap.put("b", 2);
System.out.println("HashMap:"+hashMap);

Map<String,Object> treeMap=new TreeMap<String,Object>();
treeMap.put("a", 1);
treeMap.put("c", 3);
treeMap.put("b", 2);
System.out.println("TreeMap:"+treeMap);

输出结果:

HashMap:{b=2, c=3, a=1}
TreeMap:{a=1, b=2, c=3}

上述中可以看出HashMap是无序的，TreeMap是有序的。

在使用Map的时候，也会对Map进行遍历。一般遍历Map的key和value有三种方式:
第一种通过Map.keySet遍历；
第二种通过Map.entrySet使用iterator遍历;
第三种是通过Map.entrySet进行遍历。
使用如下:

Map<String, String> map = new HashMap<String, String>();
for (String key : map.keySet()) {
System.out.println("key= "+ key + " and value= " + map.get(key));
}
Iterator<Map.Entry<String, String>> it = map.entrySet().iterator();
while (it.hasNext()) {
Map.Entry<String, String> entry = it.next();
System.out.println("key= " + entry.getKey() + " and value= " + entry.getValue());
}

for (Map.Entry<String, String> entry : map.entrySet()) {
System.out.println("key= " + entry.getKey() + " and value= " + entry.getValue());
}

如果只想获取Map中value的话，可以使用foreach对Map.values()进行遍历。

for (String v : map.values()) {
System.out.println("value= " + v);
}

在上述遍历中，我们最多使用的是第一种Map.keySet，因为写起来比较简单。不过在容量大的时候，推荐使用第三种，效率会更高!

Set

Set是一种不包含重复的元素的Collection，即任意的两个元素e1和e2都有e1.equals(e2)=false，Set最多有一个null元素。因为Set是一个抽象的接口，所以是不能直接实例化一个set对象。

Set s = new Set()

这种写法是错误的。

Set接口主要是由HashSet、TreeSet和LinkedHashSet来实现。
它们简单的使用如下:

Set hashSet = new HashSet();
Set treeSet = new TreeSet();
Set linkedSet = new LinkedHashSet();

因为Set是无法拥有重复元素的，所以也经常用它来去重。例如在一个list集合中有两条相同的数据，想去掉一条，这时便可以使用Set的机制来去重。
代码示例:

public static void set(){
List<String> list = new ArrayList<String>();
list.add("Java");
list.add("C");
list.add("C++");
list.add("JavaScript");
list.add("Java");
Set<String> set = new HashSet<String>();
for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
String items = list.get(i);
System.out.println("items:"+items);
if (!set.add(items)) {
System.out.println("重复的数据: " + items);
}
}
System.out.println("list:"+list);
}

输出结果:

items:Java
items:C
items:C++
items:JavaScript
items:Java
重复的数据: Java
list:[Java, C, C++, JavaScript, Java]

注意:如果是将对象进行去重的话，是需要重写set中的equals和hashcode方法的。

总结

关于集合中List、Map、Set这三个的总结如下:

• List：List和数组类似，可以动态增长，根据实际存储的数据的长度自动增长List的长度。查找元素效率高，插入删除效率低，因为会引起其他元素位置改变 <实现类有ArrayList,LinkedList,Vector>

  ArrayList：非线程安全，适合随机查找和遍历，不适合插入和删除。
• LinkedList : 非线程安全，适合插入和删除，不适合查找。
• Vector : 线程安全。不过不推荐。