Java 集合框架详解

1.集合框架的设计目标

• 该框架必须是高性能的。基本集合（动态数组，链表，树，哈希表）的实现也必须是高效的。

• 该框架允许不同类型的集合，以类似的方式工作，具有高度的互操作性。

• 对一个集合的扩展和适应必须是简单的。

2.集合框架结构图

JAVA框架不理解？

3.集合框架体系

集合接口

• 接口：是代表集合的抽象数据类型。例如 Collection、List、Set、Map 等。之所以定义多个接口，是为了以不同的方式操作集合对象

• 实现（类）：是集合接口的具体实现。从本质上讲，它们是可重复使用的数据结构，例如：ArrayList、LinkedList、HashSet、HashMap。

• 算法：是实现集合接口的对象里的方法执行的一些有用的计算，例如：搜索和排序。这些算法被称为多态，那是因为相同的方法可以在相似的接口上有着不同的实现。

4.集合接口

Set和List的区别

• 1. Set 接口实例存储的是无序的，不重复的数据。List 接口实例存储的是有序的，可以重复的元素。

• 什么是集合框架。2. Set检索效率低下，删除和插入效率高，插入和删除不会引起元素位置改变 <实现类有HashSet,TreeSet>。

• 3. 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> 。

5.集合实现类（集合类）

Listlist=Collections.synchronizedList(newLinkedList(...));

在前面的教程中已经讨论通过java.util包中定义的类，如下所示：

6.集合算法

集合框架定义了几种算法，可用于集合和映射。这些算法被定义为集合类的静态方法。

在尝试比较不兼容的类型时，一些方法能够抛出 ClassCastException异常。当试图修改一个不可修改的集合时，抛出UnsupportedOperationException异常。

集合定义三个静态的变量：EMPTY_SET，EMPTY_LIST，EMPTY_MAP的。这些变量都不可改变。

7.数据元素是怎样在内存

集合框架类？主要有2种存储方式：

1、顺序存储，Random Access（Direct Access）：

        这种方式，相邻的数据元素存放于相邻的内存地址中，整块内存地址是连续的。可以根据元素的位置直接计算出内存地址，直接进行读取。读取一个特定位置元素的平均时间复杂度为O(1)。正常来说，只有基于数组实现的集合，才有这种特性。Java中以ArrayList为代表。

2、链式存储，Sequential Access：

        这种方式，每一个数据元素，在内存中都不要求处于相邻的位置，每个数据元素包含它下一个元素的内存地址。不可以根据元素的位置直接计算出内存地址，只能按顺序读取元素。读取一个特定位置元素的平均时间复杂度为O(n)。主要以链表为代表。Java中以LinkedList为代表。

java集合体系？时间复杂度：https://www.jianshu.com/p/f4cca5ce055a

8.集合遍历

通常情况下，你会希望遍历一个集合中的元素。例如，显示集合中的每个元素。

一般遍历数组都是采用for循环或者增强for，这两个方法也可以用在集合框架，但是还有一种方法是采用迭代器遍历集合框架，它是一个对象，实现了Iterator 接口或ListIterator接口。

8.1遍历 ArrayList

import java.util.*;public class Test{public static void main(String[] args) {List<String> list=new ArrayList<String>();list.add("Hello");list.add("World");list.add("HAHAHAHA");//第一种遍历方法使用foreach遍历Listfor (String str : list) {            //也可以改写for(int i=0;i<list.size();i++)这种形式System.out.println(str);}//第二种遍历，把链表变为数组相关的内容进行遍历String[] strArray=new String[list.size()];list.toArray(strArray);for(int i=0;i<strArray.length;i++) //这里也可以改写为  foreach(String str:strArray)这种形式{System.out.println(strArray[i]);}//第三种遍历 使用迭代器进行相关遍历Iterator<String> ite=list.iterator();while(ite.hasNext())//判断下一个元素之后有值{System.out.println(ite.next());}}
}

java常用框架、8.2遍历 Map 

import java.util.*;public class Test{public static void main(String[] args) {Map<String, String> map = new HashMap<String, String>();map.put("1", "value1");map.put("2", "value2");map.put("3", "value3");//第一种：普遍使用，二次取值System.out.println("通过Map.keySet遍历key和value：");for (String key : map.keySet()) {System.out.println("key= "+ key + " and value= " + map.get(key));}//第二种System.out.println("通过Map.entrySet使用iterator遍历key和value：");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());}//第三种：推荐，尤其是容量大时System.out.println("通过Map.entrySet遍历key和value");for (Map.Entry<String, String> entry : map.entrySet()) {System.out.println("key= " + entry.getKey() + " and value= " + entry.getValue());}//第四种System.out.println("通过Map.values()遍历所有的value，但不能遍历key");for (String v : map.values()) {System.out.println("value= " + v);}}
}

8.3遍历方法的实现原理

 1、传统的for循环遍历，基于计数器的：

        遍历者自己在集合外部维护一个计数器，然后依次读取每一个位置的元素，当读取到最后一个元素后，停止。主要就是需要按元素的位置来读取元素。

java集合详解，2、迭代器遍历，Iterator：

        每一个具体实现的数据集合，一般都需要提供相应的Iterator。相比于传统for循环，Iterator取缔了显式的遍历计数器。所以基于顺序存储集合的Iterator可以直接按位置访问数据。而基于链式存储集合的Iterator，正常的实现，都是需要保存当前遍历的位置。然后根据当前位置来向前或者向后移动指针。

3、foreach循环遍历：

        根据反编译的字节码可以发现，foreach内部也是采用了Iterator的方式实现，只不过Java编译器帮我们生成了这些代码。

8.4传统的for循环遍历，基于计数器的

java集合类框架的基本接口，因为是基于元素的位置，按位置读取。所以我们可以知道，对于顺序存储，因为读取特定位置元素的平均时间复杂度是O(1)，所以遍历整个集合的平均时间复杂度为O(n)。而对于链式存储，因为读取特定位置元素的平均时间复杂度是O(n)，所以遍历整个集合的平均时间复杂度为O(n2)（n的平方）。

transient Object[] elementData;public E get(int index) {rangeCheck(index);return elementData(index);
}E elementData(int index) {return (E) elementData[index];
}

8.5LinkedList按位置读取的代码 

每次都需要从第0个元素开始向后读取。其实它内部也做了小小的优化。

transient int size = 0;
transient Node<E> first;
transient Node<E> last;public E get(int index) {checkElementIndex(index);return node(index).item;
}Node<E> node(int index) {if (index < (size >> 1)) {   //查询位置在链表前半部分，从链表头开始查找Node<E> x = first;for (int i = 0; i < index; i++)x = x.next;return x;} else {                     //查询位置在链表后半部分，从链表尾开始查找Node<E> x = last;for (int i = size - 1; i > index; i--)x = x.prev;return x;}
}

8.6迭代器遍历，Iterator

 那么对于RandomAccess类型的集合来说，没有太多意义，反而因为一些额外的操作，还会增加额外的运行时间。但是对于Sequential Access的集合来说，就有很重大的意义了，因为Iterator内部维护了当前遍历的位置，所以每次遍历，读取下一个位置并不需要从集合的第一个元素开始查找，只要把指针向后移一位就行了，这样一来，遍历整个集合的时间复杂度就降低为O(n)。

public E next() {checkForComodification();if (!hasNext())throw new NoSuchElementException();lastReturned = next;next = next.next;nextIndex++;return lastReturned.item;
}public E previous() {checkForComodification();if (!hasPrevious())throw new NoSuchElementException();lastReturned = next = (next == null) ? last : next.prev;nextIndex--;return lastReturned.item;
}

java高级框架，8.8foreach循环遍历

分析Java字节码可知，foreach内部实现原理，也是通过Iterator实现的，只不过这个Iterator是Java编译器帮我们生成的，所以我们不需要再手动去编写。但是因为每次都要做类型转换检查，所以花费的时间比Iterator略长。时间复杂度和Iterator一样。

//使用Iterator的字节码：Code:0: new           #16                 // class java/util/ArrayList3: dup4: invokespecial #18                 // Method java/util/ArrayList."<init>":()V7: astore_18: aload_19: invokeinterface #19,  1           // InterfaceMethod java/util/List.iterator:()Ljava/util/Iterator;14: astore_215: goto          2518: aload_219: invokeinterface #25,  1           // InterfaceMethod java/util/Iterator.next:()Ljava/lang/Object;24: pop25: aload_226: invokeinterface #31,  1           // InterfaceMethod java/util/Iterator.hasNext:()Z31: ifne          1834: return//使用foreach的字节码：Code:0: new           #16                 // class java/util/ArrayList3: dup4: invokespecial #18                 // Method java/util/ArrayList."<init>":()V7: astore_18: aload_19: invokeinterface #19,  1           // InterfaceMethod java/util/List.iterator:()Ljava/util/Iterator;14: astore_315: goto          2818: aload_319: invokeinterface #25,  1           // InterfaceMethod java/util/Iterator.next:()Ljava/lang/Object;24: checkcast     #31                 // class loop/Model27: astore_228: aload_329: invokeinterface #33,  1           // InterfaceMethod java/util/Iterator.hasNext:()Z34: ifne          1837: return

9.使用场景

1、传统的for循环遍历，基于计数器的：

        顺序存储：读取性能比较高。适用于遍历顺序存储集合。

java基本框架。        链式存储：时间复杂度太大，不适用于遍历链式存储的集合。

2、迭代器遍历，Iterator：

        顺序存储：如果不是太在意时间，推荐选择此方式，毕竟代码更加简洁，也防止了Off-By-One的问题。

        链式存储：意义就重大了，平均时间复杂度降为O(n)，还是挺诱人的，所以推荐此种遍历方式。

3、foreach循环遍历：

Java强制类型转换。        foreach只是让代码更加简洁了，但是他有一些缺点，就是遍历过程中不能操作数据集合（删除等），所以有些场合不使用。而且它本身就是基于Iterator实现的，但是由于类型转换的问题，所以会比直接使用Iterator慢一点，但是还好，时间复杂度都是一样的。所以怎么选择，参考上面两种方式，做一个折中的选择。

        Java数据集合框架中，提供了一个RandomAccess接口，该接口没有方法，只是一个标记。通常被List接口的实现使用，用来标记该List的实现是否支持Random Access。一个数据集合实现了该接口，就意味着它支持Random Access，按位置读取元素的平均时间复杂度为O(1)。比如ArrayList。而没有实现该接口的，就表示不支持Random Access。比如LinkedList。所以看来JDK开发者也是注意到这个问题的，那么推荐的做法就是，如果想要遍历一个List，那么先判断是否支持Random Access，也就是 list instanceof RandomAccess。

if (list instanceof RandomAccess) {//使用传统的for循环遍历。
} else {//使用Iterator或者foreach。
}

10.总结

Java集合框架为程序员提供了预先包装的数据结构和算法来操纵他们。集合是一个对象，可容纳其他对象的引用。集合接口声明对每一种类型的集合可以执行的操作。集合框架的类和接口均在java.util包中。任何对象加入集合类后，自动转变为Object类型，所以在取出的时候，需要进行强制类型转换。

java的集合体系， 

参考地址

http://www.runoob.com/java/java-collections.html

https://www.cnblogs.com/leskang/p/6031282.html

https://www.jianshu.com/p/f4cca5ce055a

https://www.cnblogs.com/skywang12345/p/3245399.html