Java集合框架：Set、List、Map等介绍

　　1.Java集合类基本概念

　　2.Java集合类架构层次关系

　　1.Java集合类基本概念

　　在编程中，常常需要集中存放多个数据。从传统意义上来讲，数组是我们一个很好的选择，前提是我们事先已经明确知道我们将要保存的对象的数量。一旦在数组初始化时指定了这个数组的长度，这个数组的长度就是不可以改变的，如果我们需要保存一个可以动态增长的数据(在编译时无法确定具体的数量)，java的集合类就是一个很好的设计方案了。集合类主要负责保存、盛装其他数据，因此集合类也被称为容器类。所以的集合类都位于java.util包下，后来为了处理多线程环境下的并发安全问题，java5还在java.util.concurrent包下提供了一些多线程支持的集合类。

　　在学习Java中的集合类的API、编程原理的时候，我们一定要明白，"集合"是一个很古老的数学概念，它远远早于Java的出现。从数学概念的角度来理解集合能帮助我们更好的理解编程中什么时候该使用什么类型的集合类。

Java容器类类库的用途是"保存对象"，并将其划分为两个不同的概念：

　　1）Collection

　　　　一组“对立”的元素，通常这些元素都服从某种规则

　　　　1.1）List必须保持元素特定的顺序，元素可以重复。

　　　　1.2）Set不能有重复元素，元素没有顺序。

　　　　1.3）Queue保持一个队列的顺序（先进先出）。

　　2）Map

　　　　一组成对的“键值对”对象。

　　Collection和Map的区别在于容器中每个位置保存的元素个数：

　　　　1）Collection每个位置只能保存一个元素（对象）

　　　 2）Map保存的是“键值对”，就像一个小型数据库。我们可以通过键找到对应的值。

　　2.Java集合类架构层次关系

Collection 和 Collections

　　首先要明确的是，Collection 和 Collections是两个不同的概念。Collection是一个接口，所有的集合类（除Map外）都要继承（实现）自该接口。它提供了对集合对象进行基本操作的通用接口方法。Collections是一个包装类，它包含有各种有关集合操作的静态多态方法。（Collections是一个工具类，不能实例化）

　　Collection家族关系图

　　Map家族的关系图

　　关系图谱

　　代码示例

　　输出结果：

　　Collection接口

　　Collection是最基本的集合接口，一个Collection代表一组Object的集合，这些Object被称为Collection的元素。

所有实现Collection接口的类都必须提供两个标准的构造函数：无参数的构造函数用于创建一个空的Collection，有一个Collection参数的构造函数用于创建一个新的Collection，这个新的Collection与传入的Collection有相同的元素。后一个构造函数允许用户复制一个Collection。

如何遍历Collection中的每一个元素？不论Collection的实际类型如何，它都支持一个iterator()的方法，该方法返回一个迭代子，使用该迭代子即可逐一访问Collection中每一个元素。典型的用法如下：

　　根据用途的不同，Collection又划分为List与Set。

　　List接口

　　List继承自Collection接口。List是有序的，可以重复的Collection，使用此接口能够精确的控制每个元素插入的位置。用户能够使用索引（元素在List中的位置，类似于数组下标）来访问List中的元素，这类似于Java的数组。

　　跟Set集合不同的是，List允许有重复元素。对于满足e1.equals(e2)条件的e1与e2对象元素，可以同时存在于List集合中。当然，也有List的实现类不允许重复元素的存在。

　　除了具有Collection接口必备的iterator()方法外，List还提供一个listIterator()方法，返回一个 ListIterator接口，和标准的Iterator接口相比，ListIterator多了一些add()之类的方法，允许添加，删除，设定元素，还能向前或向后遍历。

　　实现List接口的常用类有LinkedList，ArrayList，Vector和Stack。

　　LinkedList类

　　LinkedList实现了List接口，允许null元素。此外LinkedList提供额外的get，remove，insert方法在 LinkedList的首部或尾部。这些操作使LinkedList可被用作堆栈（stack），队列（queue）或双向队列（deque）。

　　注意LinkedList没有同步方法。如果多个线程同时访问一个List，则必须自己实现访问同步。一种解决方法是在创建List时构造一个同步的List：

　　ArrayList类

　　ArrayList实现了可变大小的数组。它允许所有元素，包括null。ArrayList没有同步。

size，isEmpty，get，set方法运行时间为常数。但是add方法开销为分摊的常数，添加n个元素需要O(n)的时间。其他的方法运行时间为线性。

　　每个ArrayList实例都有一个容量（Capacity），即用于存储元素的数组的大小。这个容量可随着不断添加新元素而自动增加，但是增长算法并没有定义。当需要插入大量元素时，在插入前可以调用ensureCapacity方法来增加ArrayList的容量以提高插入效率。和LinkedList一样，ArrayList也是非同步的（unsynchronized）。

　　Vector类

　　Vector非常类似ArrayList，但是Vector是同步的。由Vector创建的Iterator，虽然和ArrayList创建的 Iterator是同一接口，但是，因为Vector是同步的，当一个Iterator被创建而且正在被使用，另一个线程改变了Vector的状态（例如，添加或删除了一些元素），这时调用Iterator的方法时将抛出ConcurrentModificationException，因此必须捕获该异常。

　　Stack类

　　Stack继承自Vector，实现一个后进先出的堆栈。Stack提供5个额外的方法使得Vector得以被当作堆栈使用。基本的push和pop方法，还有peek方法得到栈顶的元素，empty方法测试堆栈是否为空，search方法检测一个元素在堆栈中的位置。Stack刚创建后是空栈。

　　Set接口

　　Set继承自Collection接口。Set是一种不能包含有重复元素的集合，即对于满足e1.equals(e2)条件的e1与e2对象元素，不能同时存在于同一个Set集合里，换句话说，Set集合里任意两个元素e1和e2都满足e1.equals(e2)==false条件，Set最多有一个null元素。

　　因为Set的这个制约，在使用Set集合的时候，应该注意：

　　1，为Set集合里的元素的实现类实现一个有效的equals(Object)方法。

　　2，对Set的构造函数，传入的Collection参数不能包含重复的元素。

　　请注意：必须小心操作可变对象（Mutable Object）。如果一个Set中的可变元素改变了自身状态导致Object.equals(Object)=true将导致一些问题。

　　HashSet类

　　此类实现 Set 接口，由哈希表（实际上是一个 HashMap 实例）支持。它不保证集合的迭代顺序；特别是它不保证该顺序恒久不变。此类允许使用 null 元素。

　　HashSet不是同步的，需要用以下语句来进行S同步转换：Set s = Collections.synchronizedSet(new HashSet(...));

　　Map接口

　　Map没有继承Collection接口。也就是说Map和Collection是2种不同的集合。Collection可以看作是（value）的集合，而Map可以看作是（key，value）的集合。

　　Map接口由Map的内容提供3种类型的集合视图，一组key集合，一组value集合，或者一组key-value映射关系的集合。

　　Hashtable类

　　Hashtable继承Map接口，实现一个key-value映射的哈希表。任何非空（non-null）的对象都可作为key或者value。

　　添加数据使用put(key, value)，取出数据使用get(key)，这两个基本操作的时间开销为常数。

　　Hashtable 通过initial capacity和load factor两个参数调整性能。通常缺省的load factor 0.75较好地实现了时间和空间的均衡。增大load factor可以节省空间但相应的查找时间将增大，这会影响像get和put这样的操作。

　　使用Hashtable的简单示例如下，将1，2，3放到Hashtable中，他们的key分别是”one”，”two”，”three”：

　　要取出一个数，比如2，用相应的key：

　　由于作为key的对象将通过计算其散列函数来确定与之对应的value的位置，因此任何作为key的对象都必须实现hashCode和equals方法。hashCode和equals方法继承自根类Object，如果你用自定义的类当作key的话，要相当小心，按照散列函数的定义，如果两个对象相同，即obj1.equals(obj2)=true，则它们的hashCode必须相同，但如果两个对象不同，则它们的hashCode不一定不同，如果两个不同对象的hashCode相同，这种现象称为冲突，冲突会导致操作哈希表的时间开销增大，所以尽量定义好的hashCode()方法，能加快哈希表的操作。

　　如果相同的对象有不同的hashCode，对哈希表的操作会出现意想不到的结果（期待的get方法返回null），要避免这种问题，只需要牢记一条：要同时复写equals方法和hashCode方法，而不要只写其中一个。Hashtable是同步的。

　　HashMap类

　　HashMap和Hashtable类似，不同之处在于HashMap是非同步的，并且允许null，即null value和null key。，但是将HashMap视为Collection时（values()方法可返回Collection），其迭代子操作时间开销和HashMap 的容量成比例。因此，如果迭代操作的性能相当重要的话，不要将HashMap的初始化容量设得过高，或者load factor过低。

　　WeakHashMap类

　　WeakHashMap是一种改进的HashMap，它对key实行“弱引用”，如果一个key不再被外部所引用，那么该key可以被GC回收。

　　对集合操作的工具类

　　Java提供了java.util.Collections，以及java.util.Arrays类简化对集合的操作。

　　java.util.Collections主要提供一些static方法用来操作或创建Collection，Map等集合。java.util.Arrays主要提供static方法对数组进行操作。

　　总结

　　如果涉及到堆栈，队列等操作，应该考虑用List，对于需要快速插入，删除元素，应该使用LinkedList，如果需要快速随机访问元素，应该使用ArrayList。

　　如果程序在单线程环境中，或者访问仅仅在一个线程中进行，考虑非同步的类，其效率较高，如果多个线程可能同时操作一个类，应该使用同步的类。

在除需要排序时使用TreeSet,TreeMap外,都应使用HashSet,HashMap,因为他们的效率更高。

　　要特别注意对哈希表的操作，作为key的对象要正确复写equals和hashCode方法。

　　容器类仅能持有对象引用（指向对象的指针），而不是将对象信息copy一份至数列某位置。一旦将对象置入容器内，便损失了该对象的型别信息。

　　尽量返回接口而非实际的类型，如返回List而非ArrayList，这样如果以后需要将ArrayList换成LinkedList时，客户端代码不用改变。这就是针对抽象编程。

　　注意：

　　1、Collection没有get()方法来取得某个元素。只能通过iterator()遍历元素。

　　2、Set和Collection拥有一模一样的接口。

　　3、List，可以通过get()方法来一次取出一个元素。使用数字来选择一堆对象中的一个，get(0)...。(add/get)

　　4、一般使用ArrayList。用LinkedList构造堆栈stack、队列queue。

　　5、Map用 put(k,v) / get(k)，还可以使用containsKey()/containsValue()来检查其中是否含有某个key/value。HashMap会利用对象的hashCode来快速找到key。

　　6、Map中元素，可以将key序列、value序列单独抽取出来。使用keySet()抽取key序列，将map中的所有keys生成一个Set。使用values()抽取value序列，将map中的所有values生成一个Collection。为什么一个生成Set，一个生成Collection？那是因为，key总是独一无二的，value允许重复。