开发: C++知识库 Java知识库 JavaScript Python PHP知识库人工智能区块链大数据移动开发嵌入式开发工具数据结构与算法开发测试游戏开发网络协议系统运维
教程: HTML教程 CSS教程 JavaScript教程 Go语言教程 JQuery教程 VUE教程 VUE3教程 Bootstrap教程 SQL数据库教程 C语言教程 C++教程 Java教程 Python教程 Python3教程 C#教程
数码: 电脑笔记本显卡显示器固态硬盘硬盘耳机手机 iphone vivo oppo 小米华为单反装机图拉丁

-> Java知识库 -> 详解Java中的集合框架（持续更新） -> 正文阅读

[Java知识库]详解Java中的集合框架（持续更新）

一前言

🏷 本文基于Java 11版本

Java 中的集合框架，涉及到大量的接口、类、异常类；以及各种的算法、数据结构、并发问题。工具类和工具方法也有不少。本文将逐一介绍这些内容。

Java 中的集合是用于存储对象的工具类容器，它实现了常用的数据结构，提供了一系列公开的方法用于增加、删除、修改、查找和遍历数据，降低了日常开发成本。集合的种类非常多，形成了一个比较经典的继承关系树，称为 Java集合框架。

二集合框架常见接口和实现

2.1 基本概述

在这里插入图片描述
Map接口：

在这里插入图片描述

图解：常用接口使用紫色标注，常用类使用橙色标注，不常用使用灰色标注，抽象层和其他都是红色标注。

首先可以看到 Collection 接口，继承于 Iterable 接口。这也就表明，只要是 Collection 这个类型，就可以进行迭代、并且可以进行 for-each 增强循环。

特别的，在 Java 8及其以上版本，增加了默认实现的 forEach 方法，可以进行迭代。

另外关于 Map 接口，它自己本身不继承任何接口。只是在定义一些方法时，依赖了 Collection 接口。

在日常的开发中，我们主要使用的是这些接口的实现类，也就是上图中黄色阴影框的 ArrayList，LinkedList，TreeSet, HashSet, LinkedHashSet, TreeMap, HashMap, LinkedHashMap。本文的核心也就是围绕这些实现类来说明各个集合类的使用场景。

2.2 List 接口

📢 接口定义如下：

public interface List<E> extends Collection<E> {

    // 因本文篇幅原因，省略若干方法
}

List 集合通常是有序的，可以方便的知道上一个元素、下一个元素。一般是可以允许存储重复的元素。至于一个元素是否重复，需要用 Object 类的 equals 方法来判定。另外，List 集合的遍历结果是稳定的，也就是说它在不做任何额外操作（额外操作是指修改，删除，增加，排序等）时，每次遍历的结果都是一致的。

我们通常会使用它的实现类 ArrayList 和 LinkedList。

2.2.1 ArrayList

📢 类的定义如下：

// 类的定义上，实现了RandomAccess，表示可以进行随机访问（通过数组下标）
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
    // 集合中元素的个数，空集合的话，size值是0
    private int size;
    // ArrayList 的容量就是这个数组缓冲区的长度。
    // 当添加第一个元素时，任何具有 elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 的空 ArrayList 都将扩展为 DEFAULT_CAPACITY
    transient Object[] elementData;
    // 使用空参数构造器时，将这个默认空数组赋值给数组缓冲区 elementData
    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
    // 使用有参数构造时，如果参数容量是0，将这个空数组赋值给数组缓冲区 elementData
    private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
    // 默认容量：10
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
    // 尝试分配最大大小的数组给数组缓冲区，尝试分配更大的数组可能会导致 OutOfMemoryError：请求的数组大小超过 VM 限制
    private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
    
    // 空参数构造器
    public ArrayList() {
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
    
    // 构造具有指定初始容量的空列表
    public ArrayList(int initialCapacity) {
        if (initialCapacity > 0) {
            this.elementData = new Object[initialCapacity];
        } else if (initialCapacity == 0) {
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        } else {
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+ initialCapacity);
        }
    }
    
    // 按照集合的迭代器返回的顺序构造一个包含指定集合元素的列表
    public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
        Object[] a = c.toArray();
        if ((size = a.length) != 0) {
            if (c.getClass() == ArrayList.class) {
                elementData = a;
            } else {
                elementData = Arrays.copyOf(a, size, Object[].class);
            }
        } else {
            // replace with empty array.
            elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        }
    }
    
    // 因本文篇幅原因，省略若干方法
}

ArrayList 的定义是：容量可以自我更改的、线程不安全集合。

其底层代码是使用了 Object 数组承载了数据，根据数据占整个集合的多少，进行扩容（其实是数组复制）。

可以看到 ArrayList 在定义时，实现了 RandomAccess 接口。表示支持快速随机访问。但是其在插入元素、删除元素时速度通常是很慢的，因为可能会移动其他元素。比如：在一个ArrayList中，存了10个元素，现在给它的第4个下标的位置插入一个新元素，那么从原先第4个元素开始，所有排在后边的元素都需要移动位置。

2.2.1.1 增加元素

ArrayList 在增加元素时，会存在一个扩容的操作。
整体的操作就是，
增加元素的代码如下：

// 第一个参数是要添加的元素，第二个是当前维护的数组缓冲，第三个参数是当前集合中的元素个数
private void add(E e, Object[] elementData, int s) {
	// 当集合真实存储元素的个数等于数组的长度时，表示需要扩容，核心方法是 grow()
    if (s == elementData.length)
        elementData = grow();
    elementData[s] = e;
    size = s + 1;
}

🎃 接下来看看 grow() 是如何进行扩容的！

    private Object[] grow(int minCapacity) {
    	// 进行数组复制，核心扩容方法是newCapacity。传入当前数组，新的数组长度即可。
        return elementData = Arrays.copyOf(elementData,
                                           newCapacity(minCapacity));
    }

	// 传入当前容器中元素个数+1作为最小容量
    private Object[] grow() {
        return grow(size + 1);
    }

🎃 接下来看看 newCapacity() 是如何进行计算新的容量的！

private int newCapacity(int minCapacity) {
    // 获取当前数组缓冲的长度
    int oldCapacity = elementData.length;
    // 计算新的容量：当前容量 + （当前容量除以2）
    // 其实就是原先大小的1.5倍
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    if (newCapacity - minCapacity <= 0) {
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)
            return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        if (minCapacity < 0) // overflow
            throw new OutOfMemoryError();
        return minCapacity;
    }
    return (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE <= 0)
        ? newCapacity
        : hugeCapacity(minCapacity);
}

通过源码，我们观察到，在增加元素时涉及到的是数组复制、扩容。
ArrayList 还对外提供了一个插入的方法：

public void add(int index, E element) {
	// 检查索引是否越界
    rangeCheckForAdd(index);
    modCount++;
    final int s;
    Object[] elementData;
    // 判断是否需要尽行扩容：当前数组的长度等于真实的元素个数时扩容
    if ((s = size) == (elementData = this.elementData).length)
        elementData = grow();
    System.arraycopy(elementData, index,
                     elementData, index + 1,
                     s - index);
    elementData[index] = element;
    size = s + 1;
}

这里用到一个数组的复制的方法， System.arraycopy，它和之前用的 Arrays.copyOf，是不同的。
关于 System.arraycopy 的入参：

要复制的数组
要复制的起始索引
目标数组，也就是说这个方法需要额外提供一个数组
要复制的目标位置
复制的数组的长度

其实就是，从插入的位置开始，所有的元素都往后移动一个位置。

而 Arrays.copyOf 有所不同，它是直接就创建一个数组，返回给调用者。它需要的是要复制的数组以及新数组的长度作为参数即可。

2.2.1.2 删除元素

删除元素的流程是，先从集合容器中查找当前元素的所在索引。
查找这一步，需要遍历集合容器一次。

然后，根据索引，进行数组复制。
数组复制的方法也是使用了 System.arraycopy ，只是参数不同。此次的操作实质上是对数组进行“逆向复制”。即将要删除的元素的索引加1，作为复制的起始位置，而当前索引为复制的目标位置，做一个“所有元素全部往前移动一位”的操作。
方法定义如下：

// 这里的 int i 是要删除的元素的索引。
private void fastRemove(Object[] es, int i) {
    modCount++;
    final int newSize;
    if ((newSize = size - 1) > i)
        System.arraycopy(es, i + 1, es, i, newSize - i);
    es[size = newSize] = null;
}

2.2.1.3 修改元素

没有什么高大上的操作，仅仅是将指定的元素赋值给数组的指定索引位置。
修改的源码如下：

public E set(int index, E element) {
    Objects.checkIndex(index, size);
    E oldValue = elementData(index);
    elementData[index] = element;
    return oldValue;
}

2.2.1.4 查找元素

在 ArrayList 中，对外提供的有 indexOf 方法。

它其实是遍历了缓冲数组 elementData，逐一匹配。具体代码如下：

// 查找对象o，返回它在 ArrayList 中的索引下标。
public int indexOf(Object o) {
    return indexOfRange(o, 0, size);
}

// 在索引为 [start, end] 范围内，从elementData 中查找元素o
int indexOfRange(Object o, int start, int end) {
    Object[] es = elementData;
    if (o == null) {
        for (int i = start; i < end; i++) {
            if (es[i] == null) {
                return i;
            }
        }
    } else {
        // 要查找的元素不为空，使用 Object 的 equals 方法判定对象是否相等
        for (int i = start; i < end; i++) {
            if (o.equals(es[i])) {
                return i;
            }
        }
    }
    // 查找不到元素 o，返回 ArrayList 的索引 -1
    return -1;
}

假如知道一个元素在 ArrayList 中的索引下标，可以直接使用 get(int index) 方法获取对应的元素。

另外如果仅仅需要判断容器中是否包含一个元素，有包装了 indexOf 方法的 contains 方法可以使用。在语义上能好理解些。

2.2.1.5 遍历ArrayList 的几种常见写法

package org.feng.demo;

import java.util.ArrayList;
import java.util.Iterator;
import java.util.List;
import java.util.stream.IntStream;

public class ArrayListDemo {

    public static void main(String[] args) {
        // 创建初始大小为15的容器
        List<Integer> integerList = new ArrayList<>(15);
        // 增加元素,从1到15，共15个元素
        IntStream.rangeClosed(1, 15).forEach(integerList::add);

        // 遍历方式1：for-each 增强for循环遍历集合，打印每一个元素
        for (Integer integer : integerList) {
            System.out.println(integer);
        }

        // 遍历方式2：for-i根据索引获取每个元素
        int size = integerList.size();
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            System.out.println(integerList.get(i));
        }

        // 遍历方式3：Iterable接口的 forEach方法
        integerList.forEach(System.out::println);


        // 遍历方式4：Iterator迭代，使用for循环
        for (Iterator<Integer> iterator = integerList.iterator(); iterator.hasNext(); ) {
            Integer currentElement = iterator.next();
            System.out.println(currentElement);
        }

        // 遍历方式5：Iterator迭代，使用while循环
        Iterator<Integer> iterator = integerList.iterator();
        while (iterator.hasNext()) {
            Integer currentElement = iterator.next();
            System.out.println(currentElement);
        }

        // 遍历方式6：转换为 stream 流，进行处理
        Object[] objects = integerList.stream().peek(System.out::println).toArray();
    }
}

2.2.2 LinkedList

📢 类的定义如下：

public class LinkedList<E>
    extends AbstractSequentialList<E>
    implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
{
    // 省略变量定义和方法定义
}

从类的定义上看，它实现了 List 接口，表示是一个有序列表（存入集合容器的顺序，就是遍历时的顺序）。

其次，LinkedList 实现了 Deque ，表示是一个双端链表。

那么和 ArrayList 不同，它并没有实现随机访问接口，因此无法通过索引直接快速获取元素。因为是一个链表，也就具备了链表数据结构的一些基本特性。

在查找元素时，需要从头结点往后遍历到最后一个元素，若匹配到目标元素，则会返回。在增加元素时，直接尾插法，链接到链表的最后一个元素的后继上。在删除元素时，直接使用其后继，链接到其前驱上即可。在修改时，也是先查找，再赋值。在插入元素时，和删除类似，只是将要插入的元素的前驱链接到插入位置的后继上，将插入位置的后一个元素的前驱，链接到插入元素的后继上。

内部定义了节点对象：

private static class Node<E> {
    // 存储的元素
    E item;
    // 后继
    Node<E> next;
    // 前驱
    Node<E> prev;

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

2.2.2.1 增加元素

🎃 实质上是创建一个新的 Node 对象，将新增加的元素，作为当前链表的最后一个元素的后继。

  public boolean add(E e) {
      linkLast(e);
      return true;
  }

  void linkLast(E e) {
  	  // 将当前最后一个元素获取到
      final Node<E> l = last;
      // 新建一个 Node，前驱是当前链表最后一个元素，后继是null
      final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
      // 将新建的 Node 标记为最后一个元素
      last = newNode;
      // 如果最后一个元素是null，表示当前容器中没有元素，则此次是第一次增加元素，将该元素同时标记为第一个元素
      if (l == null)
          first = newNode;
      else
          l.next = newNode;
      size++;
      modCount++;
  }

通过分析源码，我们知道了这个 LinkedList 的增加元素，时间是极小的，操作很简单。因此它的增加元素很快。

LinkedList 的插入方法是 add(int index, E element)，表示将元素插入到index索引对应的位置。
其详细代码如下：

public void add(int index, E element) {
    checkPositionIndex(index);

	// 如果插入的位置是最后一个元素的位置
    if (index == size)
        linkLast(element);
    else
        linkBefore(element, node(index));
}


void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
    // assert succ != null;
    // 获取要插入位置的节点的前驱
    final Node<E> pred = succ.prev;
    // 创建新的结点，前驱是要插入位置的节点的前驱，后继是要插入位置的节点
    final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
    // 将新的结点作为要插入位置的结点的前驱，即插入到当前元素的前面
    succ.prev = newNode;
    if (pred == null)
        first = newNode;
    else
        pred.next = newNode;
    size++;
    modCount++;
}

// 返回目标索引下的元素
Node<E> node(int index) {
   	// 当 index 小于当前容器中元素的个数的一半时
    if (index < (size >> 1)) {
    	// 从第一个元素开始查找
        Node<E> x = first;
        for (int i = 0; i < index; i++)
            x = x.next;
        return x;
    } else {
    	// 当 index 不小于当前容器中元素的个数的一半时，从最后一个元素开始查找
        Node<E> x = last;
        for (int i = size - 1; i > index; i--)
            x = x.prev;
        return x;
    }
}