【技术积累】Java中的集合框架【一】

什么是Java集合框架？

Java集合框架是Java编程语言中提供的一组接口、实现和算法，用于存储和操作数据集合。集合框架可以让程序员更加高效地组织和操作数据，而无需手动实现底层数据结构。

Java集合框架的优点是：

1. 提供了丰富、灵活的数据结构和算法，让程序员可以更加高效地完成各种数据操作；
2. 提供了一组统一的接口，让程序员可以随时替换底层数据结构，以达到更好的性能和效率；
3. 提供了线程安全的集合实现，可以在多线程环境下进行安全的数据操作。

综上所述，Java集合框架是Java编程语言中十分实用、基础而重要的工具，其灵活、高效和易用的特点使得它一直是Java程序员使用的必备工具之一。

Java集合框架的三大分类是什么

1. List（列表）：List集合存储有序的元素，允许元素重复。List集合提供了根据索引访问列表元素的能力，因此可以通过整数索引来随机存取列表中指定位置的元素。

2. Set（集合）：Set集合存储无序的元素，不允许元素重复。Set集合不提供访问元素的索引，因此只能通过迭代器来遍历Set集合中的元素。

3. Map（映射）：Map集合存储键值对，每个键映射到一个特定的值。Map集合中的键是唯一的，每个键对应一个特定的值。因此，可以通过键来访问相应的值，而不是通过位置或索引来访问。

 

什么是线程安全的集合？什么是非线程安全的集合？

线程安全的集合指多个线程同时操作该集合时，不会出现数据错乱、数据丢失、逻辑错误等问题。Java集合框架中已经提供了许多线程安全的集合，如ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList、ConcurrentSkipListSet等。

举例说明：

ConcurrentHashMap：可以在多线程环境下安全地进行读取和写入操作，内部采用分段锁机制来保证线程安全。例如，多个线程同时想向一个ConcurrentHashMap中添加元素：

ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5);
for (int i = 1; i <= 5; i++) {
    executorService.execute(() -> {
        for (int j = 1; j <= 10000; j++) {
            map.put(Thread.currentThread().getName() + "_" + j, j);
        }
    });
}
executorService.shutdown();

CopyOnWriteArrayList：可以在多线程环境下安全地进行读取操作，写入操作则会进行复制操作来保证线程安全。例如，多个线程同时想向一个CopyOnWriteArrayList中添加元素：

List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5);
for (int i = 1; i <= 5; i++) {
    executorService.execute(() -> {
        for (int j = 1; j <= 10000; j++) {
            list.add(Thread.currentThread().getName() + "_" + j);
        }
    });
}
executorService.shutdown();

非线程安全的集合指多个线程同时操作该集合时，会出现数据错乱、数据丢失、逻辑错误等问题。如ArrayList、HashSet等。如果多个线程同时向一个ArrayList中添加元素，就会出现数据错乱的问题，如：

List<String> list = new ArrayList<>();
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5);
for (int i = 1; i <= 5; i++) {
    executorService.execute(() -> {
        for (int j = 1; j <= 10000; j++) {
            list.add(Thread.currentThread().getName() + "_" + j);
        }
    });
}
executorService.shutdown();

在多线程环境下，为了保证线程安全，应该使用线程安全的集合。

Java集合框架中什么是迭代器？

Java集合框架中的迭代器（Iterator）是一种用于遍历集合中元素的对象。

通过迭代器，可以逐个访问集合中的元素，而不需要了解集合的内部实现方式。

简单来说，Java集合框架就是一组用来管理和操作对象集合的类和接口。

这些类和接口提供了许多在开发过程中常用的方法和功能，如查找、排序、遍历、添加、删除、替换、合并等操作。

迭代器是Java集合框架中的一个重要接口，用来遍历集合中的元素。迭代器允许我们在不了解集合内部结构的情况下，访问集合中的所有元素，逐一进行处理。

迭代器基本操作

1. hasNext()：判断是否还有下一个元素；
2. next()：返回当前元素，并移动指针到下一个元素；
3. remove()：从集合中移除当前元素。

在遍历集合时，建议使用 foreach 循环，可以更加方便地遍历集合，但是并没有 remove() 操作，所以需使用迭代器进行删除。

Java集合框架是Java提供的一组数据结构和算法，用于处理存储数据的集合。其中，迭代器是集合框架的一个重要概念，指的是一种遍历集合元素的机制。

迭代器的作用

允许我们以一种统一的方式访问不同类型的集合对象中的元素，无需关心具体实现细节。

它提供了统一的方法来访问集合对象的元素，包括遍历元素、检查元素是否存在、删除元素等操作。

迭代器的使用场景

1. 遍历List、Set、Map集合中的所有元素，执行某些操作；
2. 查找符合条件的元素；
3. 删除或替换集合中的某个元素等。

迭代器遍历集合的步骤

1. 使用集合对象的 iterator() 方法获取迭代器对象；
2. 使用 hasNext() 方法判断是否还有下一个元素，有则调用 next() 方法获取；
3. 使用 remove() 方法可以在迭代过程中删除元素。

迭代器工作的基本原理

1. 通过集合对象的iterator()方法获取迭代器对象；
2. 判断是否还有下一个元素，如果有，则返回true，否则返回false；
3. 如果有下一个元素，则使用next()方法获取下一个元素。

以下是一个简单的Java案例来说明迭代器的用法：

import java.util.ArrayList;
import java.util.Iterator;

public class IteratorDemo {
    public static void main(String[] args) {

        ArrayList<Integer> list = new ArrayList<Integer>();

        // 添加元素到列表
        list.add(1);
        list.add(2);
        list.add(3);
        list.add(4);
        list.add(5);

        // 获取迭代器
        Iterator<Integer> it = list.iterator();

        // 遍历集合中的元素
        while (it.hasNext()) {
            System.out.println(it.next());
        }
    }
}

该代码通过创建一个 ArrayList，添加元素，然后获取列表的迭代器并遍历所有元素，最后打印每个元素的值。这是一个非常基本的使用迭代器的示例。

什么是fail-fast迭代器和fail-safe迭代器？

Java集合框架中的迭代器是用来遍历集合中元素的工具。在遍历过程中，如果集合被修改，可能会导致迭代器的行为产生不可预测的结果。因此，在Java集合框架中，有两种迭代器类型：fail-fast迭代器和fail-safe迭代器。

fail-fast迭代器的行为是在遍历过程中发现集合被修改，立即抛出ConcurrentModificationException异常，停止遍历过程。fail-fast迭代器采用快速失败机制，可以保证多线程访问集合时的安全性。这种迭代器是默认的迭代器类型，在集合框架中，大多数集合实现类都是采用fail-fast迭代器。

fail-safe迭代器的行为是在遍历过程中发现集合被修改，不会抛出异常，而是创建一个集合的副本，遍历副本中的元素。因为遍历的是副本，即使原集合中的元素被修改，也不会对遍历过程造成影响。这种迭代器适合于在存在并发修改的情况下对集合进行遍历。fail-safe迭代器在Java集合框架中的实现较少，主要应用于Java5之前的Map接口中。

下面是fail-fast迭代器和fail-safe迭代器的使用案例：

1. fail-fast迭代器使用：

List<String> list = new ArrayList<>(Arrays.asList("a", "b", "c"));
Iterator<String> it = list.iterator();
while (it.hasNext()) {
    String s = it.next();
    System.out.println(s);
    list.remove(s);
}

运行上述代码会抛出ConcurrentModificationException异常，因为在遍历列表过程中修改了列表。

2. fail-safe迭代器使用：

CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>(Arrays.asList("a", "b", "c"));
Iterator<String> it = list.iterator();
while (it.hasNext()) {
    String s = it.next();
    System.out.println(s);
    list.remove(s);
}

运行上述代码可以看到，程序正常执行完成。这是因为CopyOnWriteArrayList类使用的是fail-safe迭代器，在遍历过程中删除元素不会对遍历过程造成影响。

ArrayList与LinkedList的区别是什么？

ArrayList和LinkedList都是Java中的集合类，但它们的实现方式略有不同，具体区别如下：

1. 数据结构
   • ArrayList底层实现是一个可变大小的数组，当添加或删除元素时，需要对数组进行扩容或缩容，因此在频繁添加或删除元素的情况下，性能可能会较差。
   • LinkedList底层实现是一个双向链表，添加或删除元素时只需要改变前后节点的引用，性能较好。
2. 随机访问
   • 由于ArrayList底层是数组，因此可以通过索引随机访问元素，其时间复杂度为O(1)。
   • LinkedList需要从头节点或尾节点开始顺序遍历，查找某个元素时时间复杂度是O(n)。
3. 遍历操作
   • 由于ArrayList底层是数组，因此遍历元素时性能较好，时间复杂度为O(n)。
   • LinkedList遍历时需要每次遍历一个节点，时间复杂度也为O(n)，但是在插入或删除元素时由于只需要改变前后节点的引用，性能可能会比ArrayList略好一些。
4. 内存开销
   • ArrayList底层是一个数组，因此在使用时需要预先指定容量，且如果数组中有很多空元素时会浪费一定的内存空间。
   • LinkedList是一个链表，节点之间的关系是通过引用来维护的，内存空间利用率相对较高。
5. 同步
   • ArrayList没有实现同步机制，因此多线程操作时需要手动进行同步处理。
   • LinkedList实现了List接口的同步方法，可以在多线程环境下安全地使用。

综上所述

• ArrayList适用于读取多、插入、删除少的场景
• LinkedList适用于插入、删除多、读取少的场景。

因此，在使用时应根据具体的业务场景选择合适的列表实现。

下面是一个使用ArrayList和LinkedList存储一百万个整数，并计算它们的总和的例子。可以看到，ArrayList的操作速度较快，特别是在访问元素时，而LinkedList的操作速度相对较慢，特别是在插入和删除元素时。

import java.util.*;

public class ListExample {
    public static void main(String[] args) {
        long startTime;
        long endTime;

        // 使用ArrayList存储一百万个整数，并计算它们的总和
        List<Integer> arrayList = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            arrayList.add(i);
        }
        startTime = System.currentTimeMillis();
        long sum = 0;
        for (int i = 0; i < arrayList.size(); i++) {
            sum += arrayList.get(i);
        }
        endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("ArrayList: " + sum + ", time: " + (endTime - startTime) + "ms");

        // 使用LinkedList存储一百万个整数，并计算它们的总和
        List<Integer> linkedList = new LinkedList<>();
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            linkedList.add(i);
        }
        startTime = System.currentTimeMillis();
        sum = 0;
        for (int i : linkedList) {
            sum += i;
        }
        endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("LinkedList: " + sum + ", time: " + (endTime - startTime) + "ms");
    }
}

Vector与ArrayList的区别是什么？

Vector和ArrayList都是Java中实现动态数组的类，两者都是基于数组实现，但也存在一些区别：

1. 线程安全：Vector是线程安全的类，即在并发场景下可以保证数据的一致性，而ArrayList则不是。因为Vector在操作时会加锁，可能会影响性能。

2. 初始容量：Vector默认容量为10，每次扩容后容量变为原来的2倍，而ArrayList默认容量为10，每次扩容后容量变为原来的1.5倍。

3. 扩容方式：Vector在扩容时会增加一倍的容量，而ArrayList会增加50%的容量。

4. 访问速度：在访问元素的时候，Vector采用了同步处理，所以两者的速度上略微有所差别，在并发访问时，ArrayList的速度会更快。

5. 迭代器：在迭代元素时，Vector使用Enumeration，ArrayList使用Iterator，Iterator的功能更强，可以在迭代时进行删除操作，Enumeration则不支持。

总之，如果没有线程安全方面的考虑，建议使用ArrayList，因为它执行速度更快，操作灵活，功能更丰富。而如果需要线程安全的特性，则应使用Vector。

Stack与LinkedList的区别是什么？

Stack和LinkedList都是Java集合框架中常用的数据结构，但两者有一些明显的区别，主要如下：

1. 底层实现：Stack是用数组实现的，而LinkedList则是使用链表实现的。

2. 数据操作：Stack只能在栈顶做入和出操作。当需要在中间位置插入、删除元素时，必须整体移动数组来完成，效率较低。而LinkedList则可以在任意位置插入、删除元素。

3. 存储方式：Stack是在固定空间内存储元素，而LinkedList则是在节点中存储元素，每个节点都包含指向前后节点的指针，因此占用空间相比Stack更大，但当需要经常执行插入、删除元素操作时，LinkedList的性能要优于Stack。

4. 线程安全：Stack是线程安全的，因为在压入和弹出元素时使用了同步锁来保证线程安全性，而LinkedList则不是线程安全的。

5. 操作效率：由于Stack是基于数组实现的，因此其在访问和遍历元素时的操作效率较高，而LinkedList则因为使用了指针，每次遍历元素时需要访问指针，因此效率较低。

综上所述，当需要快速访问元素时可以使用Stack，当需要经常插入、删除元素时可以使用LinkedList。但LinkedList不是线程安全的，因此在多线程环境下需要考虑使用Stack。

List的isEmpty()和.size()方法的区别是什么？

在Java集合框架中，isEmpty()和size()方法用于判断集合是否为空和获取集合的大小。它们的区别如下：

1. isEmpty()方法

isEmpty()方法返回一个布尔值，用于判断当前集合是否为空。如果集合中没有任何元素，isEmpty()方法将返回true，否则将返回false。

示例代码：

List<String> list = new ArrayList<>();
System.out.println(list.isEmpty()); // true
list.add("Java");
System.out.println(list.isEmpty()); // false

2. size()方法

size()方法返回一个整数，表示当前集合中的元素数量。

示例代码：

List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("Java");
list.add("Python");
list.add("C++");
System.out.println(list.size()); // 3

因此，isEmpty()和size()方法的区别是：

- isEmpty()方法用于判断集合是否为空，返回一个布尔值；
- size()方法用于获取集合中元素的数量，返回一个整数。