Java集合专题（超级详细）

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一、集合是什么？

集合是一个用来存放对象的容器，它只能存放对象（实际上是对象名，即指向地址的指针），在没有集合前，我们是用数组来储存对象的。下面介绍一下集合和数组之间都有哪些不同。

1.集合和数组的区别

2.Collection体系的继承树

2.1 Collection接口常用方法

1. add:添加单个元素
2. remove：删除指定元素
3. contains：查找元素是否为空
4. size：获取元素个数
5. isEmpty：判断元素是否为空
6. clear：清空
7. addAll：添加多个元素
8. containsAll：查找多个元素是否都存在
9. removeAll：删除多个元素

2.2 Collection常用遍历方式

2.2.1 迭代器Iterator使用

Collection接口遍历元素使用Iterator(称为迭代器)，所有实现Collection接口的集合类都有一个Iterator（）方法，只能用于遍历集合。

        List list = new ArrayList<>();
        Iterator iterator = list.iterator();//获取迭代器
        while (iterator.hasNext()) {//判断是否还有下一个，如果不用hasNext()会报NoSuchElementException
            Object next =  iterator.next();
            System.out.println(next);
        }

2.2.2 增强for循环遍历

底层也是采用了 Iterator 的方式实现，可以理解为简化版本的Iterator

        List lists = new ArrayList<>();
        //增强for循环同样可以用在数组上面
        //使用foreach增强for循环
       
        for (Object list:lists) {
            System.out.println(list);
        }

2.3 List常用遍历方式(3种)

1. 使用迭代器（Iterator）
2. 使用增强for循环
3. 使用普通for循环

2.4 Set常用遍历方式(2种)

1. 使用迭代器（Iterator）
2. 使用增强for循环
3. 不能使用普通for循环（因为没有提供get方法）

3.Map体系的继承树

Map与Collection并列存在。用于保存具有映射关系的数据：Key-Value（双列元素）
Key-Value为了方便遍历，还会创建EntrySet集合，该集合存放元素的类型Entry，而一个Entry对象就有Key，Value。
当HashMap $ Node对象存放到EntrySet就会方便我们遍历，因为Map.Entry<K, V>提供了重要的方法，如下：

 Set<Map.Entry<K, V>> entrySet();
 
 interface Entry<K,V> {
        K getKey();

        V getValue();
        ...
        }

3.1 Map接口常用方法

1. put:添加
2. remove：根据键删除映射关系
3. get：根据键获取值
4. size：获取元素个数
5. isEmpty：判断元素是否为空
6. clear：清空
7. containsKey：查找键是否存在

3.2 Map常用遍历方式（6种）

第一组：先取出所有的key，在通过Key获取对应的Values

1. 增强for循环

			//先取出所有的key，在通过Key获取对应的Values
        Set keyset = map.keySet();
        for (Object key:keyset) {
            System.out.println(key+"__"+map.get(key));
        }

1. 迭代器

		//先取出所有的key，在通过Key获取对应的Values
        Set keyset = map.keySet();
        Iterator iterator = keyset.iterator();
        while (iterator.hasNext()){
            Object key = iterator.next();
            System.out.println(map.get(key));
        }

第二组：取出所有的Values
3. 增强for循环

	//把所有的Values值取出
	Collection values = map.values();
       for (Object value:values) {
            System.out.println(value);
        }
	

1. 迭代器

		//把所有的Values值取出
        Collection values = map.values();
        Iterator iterator = values.iterator();
        while (iterator.hasNext()){
            Object value = iterator.next();
            System.out.println(value);
        }

第三组：通过EntrySet来获取key-value
5. 增强for循环

	//通过EntrySet来获取key-value
	Set entrySet = map.entrySet();
    for (Object entry:entrySet) {
          Map.Entry entrys = (Map.Entry) entry;
          System.out.println(entrys.getKey()+" "+entrys.getValue());
     }

1. 迭代器

		通过EntrySet来获取key-value
        Set entrySet = map.entrySet();
        Iterator iterator = entrySet.iterator();
        while (iterator.hasNext()){
            Object value = iterator.next();
            Map.Entry entrys = (Map.Entry) value;
            System.out.println(entrys.getKey()+" "+entrys.getValue());
        }

4.List，Set，Map三者的区别

Collection集合主要有List和Set两大接口

Map是一个键值对集合，存储键、值和之间的映射。 Key无序，唯一；value 不要求有序，允许重复。

5.开发中如何选择集合

其实开发中如何选择集合，主要是取决于业务操作特点，然后根据集合实现类特性进行选择，分析如下：
1.先判断存储类型（是单列还是双列）
单列：Collection接口

• 允许重复：List
  • 增删多：LinkedList（底层维护了双向链表）
  • 改查多：ArrayList（底层维护了Object类型的可变数组）
• 不允许重复：Set
  • 无序：HashSet（底层维护了HashMap）
  • 排序：TreeSet
  • 插入取出顺序一致：LinkedHashSet（底层维护了数组+双向链表）

双列：Map接口

• 键无序：HashMap
• 键有序：TreeMap
• 读取文件：Properties
• 插入取出顺序一致：LikendHashMap

二、List源码分析

1.ArrayList源码分析

ArrayList是线程不安全的，从源码中可以看出，没有添加synchronized

    public boolean add(E e) {
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

ArrayList (线程不安全），在多线程的情况下不建议使用ArrayList，可以考虑Vector(线程安全)。ArrayList 和Vector基本一样，除了在线程上面不同。
ArrayList底层操作机制源码分析：

1. ArrayList中维护了一个Object类型的数组（transient Object[] elementData）transient 表示该属性不会被序列化。 为什么要使用transient呢？因为lementData是一个缓存数组，它通常会预留一些容量，等容量不足时再扩充容量，那么有些空间可能就没有实际存储元素，可以保证只序列化实际存储的那些元素，而不是整个数组，从而节省空间和时间。

2. 当创建ArrayList对象时，如果使用的是无参构造器，则初始化elementData容量为0 ，如果第一次添加，则扩容elementData为10，如果需要再次扩容，则扩容elementData为1.5倍

3. 如果使用指定大小的容量capacity构造器，则初始化elementData容量为指定大小的capacity，如果需要扩容，则直接扩容elementData为1.5倍

4. 当添加元素时，先判断是否需要扩容，如果需要则调用grow()方法，否则直接添加元素到合适的位置

    private void grow(int minCapacity) {
        // overflow-conscious code
        int oldCapacity = elementData.length;
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); //位移1位 相当于原来的oldCapacity 除于2
        if (newCapacity - minCapacity < 0) //第一次扩容因为oldCapacity为0，所以默认elementData为10
            newCapacity = minCapacity;
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
        //Arrays.copyOf保证原先的数组不变的情况下，进行扩容
    }

2.Vector源码分析

Vector底层也是一个对象数组，protected Object[] elementData，它是线程安全的，操作方法基本都带有synchronized，在开发中需要线程同步安全时，可以考虑Vector

    public synchronized boolean add(E e) {
        modCount++;
        ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
        elementData[elementCount++] = e;
        return true;
    }
        public synchronized E get(int index) {
        if (index >= elementCount)
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
        return elementData(index);
    }
        public synchronized E set(int index, E element) {
        if (index >= elementCount)
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
        E oldValue = elementData(index);
        elementData[index] = element;
        return oldValue;
        ......
    }

1. 如果是无参构造，默认Capacity为10，当Capacity超出10后就按2倍进行扩容

	//无参构造，默认Capacity为10
    public Vector() {
        this(10);
    }
    public Vector(int initialCapacity) {
        this(initialCapacity, 0);
    }
        public Vector(int initialCapacity, int capacityIncrement) {
        super();
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                               initialCapacity);
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
        this.capacityIncrement = capacityIncrement;
    }

	//确定是否需要扩容
    private void ensureCapacityHelper(int minCapacity) {
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }
        private void grow(int minCapacity) {
        int oldCapacity = elementData.length;
        //capacityIncrement在创建Vector时默认就是0
        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);
    }

1. 如果是有参构造，指定大小，则每次直接按2倍扩容
2. 如果指定大小Capacity和capacityIncrement（自定义扩容大小），则按照自定义扩容大小进行扩容

	//也可以进行指定capacityIncrement，不用默认的0
    public Vector(int initialCapacity, int capacityIncrement) {
        super();
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                               initialCapacity);
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
        this.capacityIncrement = capacityIncrement;
    }
    
	//扩容核心代码
 	int newCapacity = oldCapacity + ((capacityIncrement > 0) ?
                                         capacityIncrement : oldCapacity);

3.ArrayList与Vector的区别

4.LinkedList源码分析

1. LinkedList底层实现了双向链表，维护了两个属性first（首节点）和last（尾结点），每个节点中维护了prev,item,next三个属性。通过prev自行前一个节点和next指向后一个节点，最终实现双向链表。

    transient Node<E> first;
    transient Node<E> last;

	//node节点（有三个属性）
    private static class Node<E> {
        E item;
        Node<E> next;
        Node<E> prev;

        Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
            this.item = element;
            this.next = next;
            this.prev = prev;
        }
    }

4.1 LinkedList添加操作底层分析

1.执行添加操作，在添加第一个元素时，从源码中可以看出 first、last和都指向同一个节点，并且两头为空。

	public boolean add(E e) {
        linkLast(e);
        return true;
    }
    
    void linkLast(E e) {
        final Node<E> l = last;// 第一次添加 last为null
        final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);// l==null
        //将新的节点，加入到双向链表的最后
        last = newNode; //last 指向newNode
        if (l == null)//执行这条语句
            first = newNode;//first 指向newNode
        else
            l.next = newNode;
        size++;//链表元素个数
        modCount++;//修改次数
    }

参考下图更容易理解：

2.执行添加操作，在添加第二个元素时，从源码中可以看出 first、last和都指向同一个节点，并且两头为空。

	public boolean add(E e) {
        linkLast(e);
        return true;
    }
    
    void linkLast(E e) {
        final Node<E> l = last;// 第二次添加 l指向last
        final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);// l==last,这里相当于把新节点 的pre指向last(前一个节点)
        //将新的节点，加入到双向链表的最后
        last = newNode; //last 指向新的节点newNode（原来的旧节点就断开了）
        if (l == null)
            first = newNode;
        else //l这个时候不为null 执行这条语句
            l.next = newNode; //l.next 指向newNode
        size++;//链表元素个数
        modCount++;//修改次数
    }

参考下图更容易理解：

1. 可以添加任意元素（元素可以重复），包括null，添加和删除是通过修改节点指向，不是由数组完成的，所以效率较高。
2. 线程不安全，没有实现同步

5.ArrayList与LinkedList的区别

5.1 如何选择ArrayList和LinkedList

1.修改和查找操作多时，我们选择ArrayList，
2.增加和删除操作多时，我们选择LinkedList

注意：这两个集合都是线程不安全的，所以适合在单线程的情况下使用

三、Set源码分析

1.HashSet源码分析

1.1 HashSet添加操作底层分析

1.HashSet底层是HashMap，HashMap底层是（数组+链表+红黑树）

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

2.添加一个元素时，先得到hash值（hash值是通过(h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16)算法计算得出），在转成索引值

   private static final Object PRESENT = new Object();
    //PRESENT 占位用 没有实际意义
    public boolean add(E e) {
        return map.put(e, PRESENT)==null;
    }
    
    //这里主要用到key;  value=PRESENT 是static共享的
	public V put(K key, V value) {
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
    }
    //得到hash值，这里的hash是通过算法计算得到的 
    static final int hash(Object key) {
        int h;
        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
    }

 //核心方法（难点）
 final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        //table就是HashMap的一个数组，类型是Node[]
        //table是null或0,就是第一次扩容到16个空间
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        //resize()执行返回Node<K,V>[]有16个大小的
            n = (tab = resize()).length;
        //根据key得到的hash，去计算key应该放在table表的哪个索引位置，并把这个位置赋值给p
        //如果p为null:表示还未存放元素，就创建一个Node，然后放进去tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
            //如果p不为null:
        else {
            Node<K,V> e; K k;//定义了辅助变量,在需要的时候在创建
            //如果当前索引位置对应的链表的第一个元素和准备添加的key的hash值一样
            //并且满足下面两个条件之一：
            //1、准备加入的key和p指向Node结点的key是同一个对象（地址相同）
            //2、准备加入的key和p指向Node结点的key是同一个值（值相同）
            if (p.hash == hash && 
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                //这里可以重写equals方法 比如new Person("小明");new Person("小明");
                //通过重写equals方法可以让他们按照equals去比较是否相等
                e = p;
                //判断p是不是红黑树,如果是调用putTreeVal方法
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
                //如果table对应索引位置，已经是一个链表，就可以使用for循环比较
                //依次和该链表的每一个元素比较后，都不相同，则加入到该链表的最后，添加后立即判断该链表是否已经达到8个节点，如果达到就调用treeifyBin（tab, hash）方法（树化）转成红黑树。
                //在转成红黑树时,要进行判断，如果该table数组size小于64（TREEIFY_CAPACITY），不会马上树化，会先扩容table。
                //如果发现相同的情况，就直接break
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }
			
			//这里指的是当用HashMap时，key一致，value不可重复（替换原来的value）
            if (e != null) { // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount;
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

3.找到存储数据表table，看这个索引位置是否已经存放有元素
4.如果没有，直接加入
5.如果有，就调用equals比较，如果相同，就放弃添加，如果不同，则添加到最后
6.在java8中，如果一条链表的元素个数达到TREEIFY_THRESHOLD（默认是8）,并且table的大小>=TREEIFY_CAPACITY（默认64），就会进行树化（红黑树）

1.2 HashSet的扩容和转红黑树机制

1. HashSet底层是HashMap，第一次添加时，table数组扩容到16，临界值（threshold）是16*加载因子（loadFactor）0.75=12
2. 如果table数组使用到了临界值12，就会扩容到162=32，新的临界值就是320.75=24，以此类推
3. 在Java8中，如果一条链表的元素个数达到TREEIFY_THRESHOLD（默认是8）,并且table的大小>= TREEIFY_CAPACITY（默认64），就会进行树化（红黑树），否则仍然采用数组扩容机制

2.LinkedHashSet源码分析

LinkedHashSet底层是一个LinkedHashMap,底层维护了一个数组+双向链表。添加数据和取出元素的顺序一致

2.1 LinkedHashSet添加操作底层分析

1.第一次添加时，直接将数值table扩容到16，存放节点(数据)的类型是LinkedHashMap $ Entry，数组类型是HashMap $ Node[]

作为HashSet的子类，只是比它多了一条链表，这条链表用来记录元素顺序，因此LinkedHashSet其中的元素有序。

    static class Entry<K,V> extends HashMap.Node<K,V> {
        Entry<K,V> before, after;
        Entry(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
            super(hash, key, value, next);
        }
    }

添加方法和前面描述的HashSet添加操作底层分析一样的，这里就不再重复介绍。

    public boolean add(E e) {
        return map.put(e, PRESENT)==null;
    }

四、Map源码分析

1.HashMap源码分析

在上面的HashSet中已经讲过了，这里就简单讲解一下

HashMap是最经典的Map实现，下面以它的视角介绍put的过程：

1.首次扩容：

• 先判断数组是否为空，若数组为空则进行第一次扩容（resize）；

2.计算索引：

• 通过hash算法，计算键值对在数组中的索引；

3.插入数据：

• 如果当前位置元素为空，则直接插入数据；

• 如果当前位置元素非空，且key已存在，则直接覆盖其value；

• 如果当前位置元素非空，且key不存在，则将数据链到链表末端；

• 若链表长度达到8，则将链表转换成红黑树，并将数据插入树中；

4.再次扩容

如果数组中元素个数（size）超过threshold，则再次进行扩容操作。

2.HashTable源码分析

HashTable（线程安全）使用方法基本和HashMap（线程不安全）一致，HashTable的键和值都不能为空
底层用Hashtable $ Entry[] 初始化大小为11。临界值threshold为8 = 11 * loadFactor（0.75）

    private transient Entry<?,?>[] table;
  
    public synchronized V put(K key, V value) {
        // Make sure the value is not null
        if (value == null) {
            throw new NullPointerException();
        }
         Entry<?,?> tab[] = table;
        int hash = key.hashCode();
        int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
        @SuppressWarnings("unchecked")
        Entry<K,V> entry = (Entry<K,V>)tab[index];
        for(; entry != null ; entry = entry.next) {
            if ((entry.hash == hash) && entry.key.equals(key)) {
                V old = entry.value;
                entry.value = value;
                return old;
            }
        }
		
		//添加方法
        addEntry(hash, key, value, index);
        return null;
      }
    
	 private void addEntry(int hash, K key, V value, int index) {
	        modCount++;
	
	        Entry<?,?> tab[] = table;
	        if (count >= threshold) {
	            // 扩容方法
	            rehash();
	
	            tab = table;
	            hash = key.hashCode();
	            index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
	        }
	
	        // Creates the new entry.
	        @SuppressWarnings("unchecked")
	        Entry<K,V> e = (Entry<K,V>) tab[index];
	        tab[index] = new Entry<>(hash, key, value, e);
	        count++;
	    }

3.TreeMap源码分析

TreeMap基于红黑树（Red-Black tree）实现。映射根据其键的自然顺序进行排序，或者根据创建映射时提供的 Comparator 进行排序，具体取决于使用的构造方法。TreeMap的基本操作containsKey、get、put、remove方法，它的时间复杂度是log(N)。

TreeMap包含几个重要的成员变量：root、size、comparator。其中root是红黑树的根节点。它是Entry类型，Entry是红黑树的节点，它包含了红黑树的6个基本组成：key、value、left、right、parent和color。Entry节点根据根据Key排序，包含的内容是value。Entry中key比较大小是根据比较器comparator来进行判断的。size是红黑树的节点个数。