Java复习之集合框架

作者: maoqitian | 来源:发表于2017-09-03 10:41 被阅读677次

俗话说：温故而知新。想想学过的知识，就算是以前学得很不错，久不用了，就会忘记，所以温习一下以前学习的知识我认为是非常有必要的。而本篇文件温习的是 Java基础中的集合框架。

为什么会有集合框架？
- 平时我们用数组存储一些基本的数据类型，或者是引用数据类型，但是数组的长度是固定的，当添加的元素超过了数组的长度时，需要对数组进行重新的定义，这样就会显得写程序太麻烦，所以Java内部为了我们方便，就提供了集合类，能存储任意对象，长度是可以改变的，随着元素的增加而增加，随着元素的减少而减少。
- 数组可以存储基本数据类型，也可以存储引用数据类型，基本数据类型存储的是值，引用数据类型存储的是地址，而集合只能存储引用数据类型（也就是对象），其实集合中也可以存储基本数据类型，但是在存储的时候会自动装箱变成对象。
- 有了集合不意味着我们要抛弃数组，如果需要存储的元素个数是固定的，我们可以使用数组，而当存储的元素不固定，我们使用集合。
集合的种类
- 集合分为单列集合和双列集合。单列集合的根接口为Collection,双列结合的根接口为Map,两种集合都有基于哈希算法的集合类（HashMap和HashSet），现在我们可能会有疑问，到底是双列集合基于单列集合还是单列集合基于双列集合呢，下面我们来看往集合HashMap和HashSet添加元素的源码：

/*
*HashMap的put 方法 
*/
 public V put(K key, V value) {
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
    }

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {
            Node<K,V> e; K k;
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
                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;
                }
            }
            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;
    }

/*
* HashSet  的add 方法
*/
public boolean add(E e) {
        return map.put(e, PRESENT)==null;
    }
// PRESENT是一个Object 对象
 private static final Object PRESENT = new Object();

由上源码，我们可以看出，双列集合的put方法源码中并没有出现add方法，而单列集合的add源码只能怪出现了put；我们可以知道单列集合是基于双列集合实现的。其实道理很简单，单列集合每次添加元素，只要添加key就可以，而key也是双列集合元素的唯一标识，而其值value则由一个Object对象代替并且隐藏，每次加入，输出元素都是隐藏单列结合的这个值，底层基于双列集合，隐藏一列是很好实现的，而如果是单列集合要变成双列集合估计就会有很大的难度，就好比魔术师变魔术，魔术师变东西前肯定事先准备好要变的东西，只是将其隐藏，但是如果魔术师变魔术是真的从无到有，那我估计他就是神仙了，想要什么就变出来什么便是。

单列集合

首先我们看单列结合的继承图，单列集合的根接口是Collection,而List的实现类为ArrayList、LinkedList、Vector，Set接口的实现类是HashSet和TreeSet。

集合框架单列集合.jpg

其次我们来看看各个集合的功能

List集合的特有功能概述
    * void add(int index,E element) //集合中添加元素
    * E remove(int index) //删除集合中index位置上的元素
    * E get(int index)  //获取集合中index位置上的元素
    * E set(int index,E element) 将index位置上的元素替换成 element

Vector类特有功能
    * public void addElement(E obj)  添加元素
    * public E elementAt(int index)  //获取元素
    * public Enumeration elements()  //获取元素的枚举（迭代遍历的时候用到）

LinkedList类特有功能
    * public void addFirst(E e)及addLast(E e)  //集合头添加元素或者集合尾添加元素
    * public E getFirst()及getLast() //获取头元素 获取尾元素
    * public E removeFirst()及public E removeLast() //删除头元素删除尾元素
    * public E get(int index);//获取index元素
根据上述LinkedList的功能，我们可以模拟栈获取队列的数据结构，栈是先进后出，队列为先进先出。

/**
 * 模拟的栈对象
 * @author 毛麒添
 * 底层还是使用LinkedList实现
 * 如果实现队列只需要将出栈变为 removeFirst 
 */
public class Stack {

    private LinkedList linklist=new LinkedList();
    
    /**
     * 进栈的方法
     * @param obj
     */
    public void in(Object obj){
        linklist.addLast(obj);
    }
    
    /**
     * 出栈
     */
    public Object out(){
        return linklist.removeLast();
    }
    /**
     * 栈是否为空
     * @return
     */
    public boolean isEmpty(){
        return linklist.isEmpty();
    }
}


//集合的三种迭代（遍历集合）删除
ArrayList<String> list=new ArrayList();
        list.add("a");
        list.add("b");
        list.add("c");
        list.add("world");
//1，普通for循环删除元素
for(int i=0;i<list,size();i++){//删除元素b
     if("b".equals(list.get(i))){
        list.remove(i--);// i-- 当集合中有重复元素的时候保证要删除的重复元素被删除
  }
}
//2.使用迭代器遍历集合
Iterator<String> it=list.iterator();
while(it.hasNext){
   if("b".equals(it.next())){
     it.remove();//这里必须使用迭代器的删除方法，而不能使用集合的删除方法，否则会出现并发修改异常（ConcurrentModificationException）
  }
}

//使用增强for循环来进行删除
for (String str:list){
     if("b".equals(str)){
       list.remove("b");//增强for循环底层依赖的是迭代器，而这里删除使用的依旧是集合的删除方法，同理肯定是会出现并发修改异常（ConcurrentModificationException），所以增强for循环一直能用来遍历集合，不能对集合的元素进行删除。
  }
}

接下里我们看Set集合，我们知道Set 集合存储无序，无索引，不可以存储重复的对象；我们使用Set集合都是需要去掉重复元素的, 如果在存储的时候逐个equals()比较, 效率较低,哈希算法提高了去重复的效率, 降低了使用equals()方法的次数，其中HashSet底层基于哈希算法，当HashSet调用add方法存储对象，先调用对象的hashCode()方法得到一个哈希值, 然后在集合中查找是否有哈希值相同的对象，如果没有哈希值相同的对象就直接存入集合，如果有哈希值相同的对象, 就和哈希值相同的对象逐个进行equals()比较,比较结果为false就存入, true则不存。下面给出HashSet存储自定义对象的一个例子，自定义对象需要重写hashCode()和equals()方法。

/**
 * 自定义对象
 * @author 毛麒添
 * HashSet 使用的bean  重写了equals和HashCode方法
 */
public class Person1 {
    private String name;
    private int age;
    public Person1() {
        super();
        // TODO Auto-generated constructor stub
    }
    public Person1(String name, int age) {
        super();
        this.name = name;
        this.age = age;
    }
    public String getName() {
        return name;
    }
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
    public int getAge() {
        return age;
    }
    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }
    @Override
    public String toString() {
        return "Person1 [name=" + name + ", age=" + age + "]";
    }
    
    //使HashSet存储元素唯一
    @Override
    public int hashCode() {
        final int prime = 31;
        int result = 1;
        result = prime * result + age;
        result = prime * result + ((name == null) ? 0 : name.hashCode());
        return result;
    }
    @Override
    public boolean equals(Object obj) {
        System.out.println("equals调用了");
        if (this == obj)
            return true;
        if (obj == null)
            return false;
        if (getClass() != obj.getClass())
            return false;
        Person1 other = (Person1) obj;
        if (age != other.age)
            return false;
        if (name == null) {
            if (other.name != null)
                return false;
        } else if (!name.equals(other.name))
            return false;
        return true;
    }   
}

public class Demo1_Hashset {

    public static void main(String[] args) {
        HashSet<Person1> hs=new HashSet<Person1>();
        hs.add(new Person1("张三", 23));
        hs.add(new Person1("张三", 23));
        hs.add(new Person1("李四", 24));
        hs.add(new Person1("李四", 24));
        hs.add(new Person1("李四", 24));
        hs.add(new Person1("李四", 24));
        System.out.println(hs);
    }

运行结果如图，达到了不存储重复自定义对象的目的。其实HashSet的下面还有一个LinkedHashSet,底层是链表实现的，是set中唯一一个能保证怎么存就怎么取的集合对象,是HashSet的子类，保证元素唯一，与HashSet原理一样,这里就不多说了。

HashSet 例子运行结果截图.png

最后是TreeSet集合，该集合是用来进行排序的，同样也可以保证元素的唯一，可以指定一个顺序, 对象存入之后会按照指定的顺序排列。
指定排序有两种实现：
- Comparable：集合加入自定义对象的时候，自定义对象需要实现Comparable接口，
  - 实现接口的抽象方法中返回0，则集合中只有一个元素
  - 返回正数，则集合中怎么存则怎么取，
  - 返回负数，集合倒序存储
- Comparator（比较器）：
  - 创建TreeSet的时候可以制定一个Comparator
  - 如果传入了Comparator的子类对象, 那么TreeSet就会按照比较器中的顺序排序
  - add()方法内部会自动调用Comparator接口中compare()方法排序
  - 调用的对象是compare方法的第一个参数,集合中的对象是compare方法的第二个参数
- 原理：
  - TreeSet底层二叉排序树
  - 返回小的数字存储在树的左边（负数），大的存储在右边（正数），相等则不存（等于0）
  - 在TreeSet集合中如何存取元素取决于compareTo（）方法的返回值

下面来看例子：

/**
 * 自定义对象 用于TreeSet
 * @author 毛麒添
 *
 */
public class Person implements Comparable<Person>{

    private String name;
    private int age;
    
    public Person(){
        super();
    }
    public Person(String name, int age) {
        super();
        this.name = name;
        this.age = age;
    }
    public String getName() {
        return name;
    }
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
    public int getAge() {
        return age;
    }
    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }
    @Override
    public String toString() {
        return "Person [name=" + name + ", age=" + age + "]";
    }
    
    @Override
    public boolean equals(Object obj) {
        Person p=(Person) obj;
        return this.name.equals(p.name)&&this.age==p.age;
    }
    
    @Override
    public int hashCode() {
        // TODO Auto-generated method stub
        return 1;
    }
    
    /*//按照年龄进行排序（TreeSet）
    @Override
    public int compareTo(Person o) {
        int number=this.age-o.age;//年龄是比较的主要条件
        //当年龄一样的时候比较名字来确定排序
        return number==0?this.name.compareTo(o.name):number;
    }*/
    
    //按照姓名进行排序（TreeSet）
        @Override
        public int compareTo(Person o) {
            int number=this.name.compareTo(o.name);//姓名是比较的主要条件
            //当姓名一样的时候比年龄来确定排序
            return number==0?this.age- o.age:number;
        }
        
        //按照姓名长度进行排序（TreeSet）
                /*@Override
                public int compareTo(Person o) {
                    int length=this.name.length()-o.name.length();//姓名长度比较的次要条件
                    int number=length==0?this.name.compareTo(o.name):length;//姓名是比较的次要条件
                    //比年龄也是次要条件
                    return number==0?this.age- o.age:number;
                }*/
}

/**
 * 
 * @author 毛麒添
 * TreeSet集合
 * 集合加入自定义对象的时候，自定义对象需要实现Comparable接口，
 * 实现接口的抽象方法中返回0，则集合中只有一个元素
 * 返回正数，则集合中怎么存则怎么取，
 * 返回负数，集合倒序存储
 * 
 * 将字符按照长度来进行排序在TreeSet中,需要使用有比较的构造方法进行比较。
 */
public class Demo_TreeSet {

    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub
        demo1();//整数存取排序
        demo2();//自定义对象排序
        
        //将字符按照长度来进行排序在TreeSet中
        TreeSet<String> strLenset=new TreeSet<String>(new compareByLen());
        strLenset.add("aaaaa");
        strLenset.add("lol");
        strLenset.add("wrc");
        strLenset.add("wc");
        strLenset.add("b");
        strLenset.add("wnnnnnnnnnnn");
        
        System.out.println(strLenset);
    }

    private static void demo2() {
        TreeSet<Person> ptreeSet=new TreeSet<Person>();
        
        ptreeSet.add(new Person("李四",12));
        ptreeSet.add(new Person("李四",16));
        ptreeSet.add(new Person("李青",16));
        ptreeSet.add(new Person("王五",19));
        ptreeSet.add(new Person("赵六",22));
        
        System.out.println(ptreeSet);
    }

    private static void demo1() {
        TreeSet< Integer> treeSet=new TreeSet<Integer>();
        treeSet.add(1);
        treeSet.add(1);
        treeSet.add(1);
        treeSet.add(3);
        treeSet.add(3);
        treeSet.add(3);
        treeSet.add(2);
        treeSet.add(2);
        treeSet.add(2);
        
        System.out.println(treeSet);
    }

}

//TreeSet 构造器，实现compare对需要存储的字符串进行比较
class compareByLen implements Comparator<String>{

    //按照字符串的长度进行比较，该方法的返回值和继承Comparable的compareTo方法返回值同理。
    @Override
    public int compare(String o1, String o2) {
        int num=o1.length()-o2.length();//以长度为主要条件
        return num==0?o1.compareTo(o2):num;//内容为次要条件
    }
    
}

下面是运行截图，其中compareTo的实现方法对几种条件排序进行了实现，具体可以查看Person自定义类中的实现。

TreeSet 例子运行截图.png

单列集合复习就到这里吧。

双列集合

同样的，在复习双列结合之前我们先看看双列集合的继承图。

集合框架双列集合.jpg

Map集合的功能梳理：
- 添加功能
  - V put(K key,V value):添加元素。
  - 如果键是第一次存储，就直接存储元素，返回null
  - 如果键不是第一次存在，就用值把以前的值替换掉，返回以前的值
- 删除功能
  - void clear():移除所有的键值对元素
  - V remove(Object key)：根据键删除键值对元素，并把值返回
- 判断功能
  - boolean containsKey(Object key)：判断集合是否包含指定的键
  - boolean containsValue(Object value):判断集合是否包含指定的值
  - boolean isEmpty()：判断集合是否为空
- 获取功能
  - Set<Map.Entry<K,V>> entrySet():
  - V get(Object key):根据键获取值
  - Set<K> keySet():获取集合中所有键的集合
  - Collection<V> values():获取集合中所有值的集合
- 长度功能
  - int size()：返回集合中的键值对的个数
Map类集合也有三种遍历方式：
- 使用迭代器进行遍历
- 使用增强For循环来进行遍历
- 使用Map.Entry来遍历集合中的元素
下面我们来看看如何实现上面三种遍历方式

/**
 * 
 * @author 毛麒添
 * Map 集合的遍历
 */
public class Demo {

    public static void main(String[] args) {
        Map<String ,Integer> map=new HashMap<String, Integer>();
        map.put("张三", 18);
        map.put("李四", 19);
        map.put("王五", 20);
        map.put("赵六", 21);
        
        //使用迭代器进行遍历
        /*Set<String> keySet = map.keySet();//获取所有key的集合
        Iterator<String> iterator = keySet.iterator();
        while(iterator.hasNext()){
            String key = iterator.next();
            Integer i=map.get(key);
            System.out.println(i);
        }*/
        //使用增强For循环来进行遍历
        for (String key :map.keySet()) {
            Integer integer = map.get(key);
            System.out.println(integer);
        }
/*---------------------------使用Map.Entry来遍历集合中的元素--------------------------*/
        Set<Map.Entry<String,Integer>> en=map.entrySet();////获取所有的键值对象的集合
        /*//使用迭代器来遍历
        Iterator<Entry<String, Integer>> iterator = en.iterator();
        while(iterator.hasNext()){
            Entry<String, Integer> e=iterator.next();//获取键值对对象
            String key = e.getKey();//根据键值对对象获取键
            Integer value = e.getValue();//根据键值对对象获取值
            System.out.print(key);
            System.out.println(value);
        }*/
        //使用增强for循环来遍历
        for (Entry<String, Integer> entry : en) {
            String key = entry.getKey();
            Integer value = entry.getValue();
            System.out.print(key);
            System.out.println(value);
        }
/*---------------------------使用Map.Entry来遍历集合中的元素--------------------------*/
    }
}

LinkHashMap与LinkHashSet一样，怎么存怎么取，保证元素唯一（key 是唯一判定值）,由于保证元素唯一，其性能肯定会低一些，这里就不细说了。
TreeMap是双列集合，其实他和TreeSet是很像的，但是双列集合的键是唯一标识，所以TreeMap排序的是每个元素的键。对于存储自定义对象排序，它也有Comparable和Comparator，下面我们来看例子

/**
 * 
 * @author 毛麒添
 * TreeMap
 *  通TreeSet 原理，存取自定义对象也需要继承Comparable结构，
 *  或者实现比较器Comparator
 */
public class Demo6_TreeMap {

    public static void main(String[] args) {
        TreeMap<Student, String> tm=new TreeMap<Student, String>(new Comparator<Student>() {

            @Override
            public int compare(Student s1, Student s2) {
                int num=s1.getName().compareTo(s2.getName());//以姓名作为主要比较条件
                return num==0?s1.getAge()-s2.getAge():num;
            }
        });
        tm.put(new Student("张三",13),"杭州");
        tm.put(new Student("张三",14), "贺州");
        tm.put(new Student("王五",15), "广州");
        tm.put(new Student("赵六",16), "深圳");
        
        System.out.println(tm);
    }

}

/**
 * 自定义对象
 * @author 毛麒添
 * HashMap 存储对象 与 HashSet 同理  需要重写 hashcode 和equals 方法 
 * TreeMap 实现 Comparable接口
 */
public class Student implements Comparable<Student>{

    private int age;
    private String name;
    
    public Student(){
        super();
    }
    public Student(String name,int age){
        this.name=name;
        this.age=age;
    }
    public int getAge() {
        return age;
    }
    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }
    public String getName() {
        return name;
    }
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
    
    
    @Override
    public String toString() {
        return "Student [age=" + age + ", name=" + name + "]";
    }
    @Override
    public int hashCode() {
        final int prime = 31;
        int result = 1;
        result = prime * result + age;
        result = prime * result + ((name == null) ? 0 : name.hashCode());
        return result;
    }
    @Override
    public boolean equals(Object obj) {
        if (this == obj)
            return true;
        if (obj == null)
            return false;
        if (getClass() != obj.getClass())
            return false;
        Student other = (Student) obj;
        if (age != other.age)
            return false;
        if (name == null) {
            if (other.name != null)
                return false;
        } else if (!name.equals(other.name))
            return false;
        return true;
    }
    @Override
    public int compareTo(Student o) {
        int num =this.age-o.age;//以年龄为主要条件
        return num==0?this.name.compareTo(o.name):num;//姓名作为次要条件
    }   
}

到这里，Java集合框架的复习基本完成，最后来一个斗地主的例子对集合框架做一个综合应用，只是实现斗地主洗牌和发牌，至于怎么打牌，逻辑复杂，这里不做实现。

/**
 * 
 * @author 毛麒添
 * 模拟斗地主洗牌和发牌，牌排序
 * 买一副扑克
 * 洗牌
 * 发牌
 * 看牌
 */
public class Doudizhu_progress {

    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub
        //构造一副扑克牌
        String[] number={"3","4","5","6","7","8","9","10","J","Q","K","A","2"};
        String[]color={"黑桃","红桃","梅花","方块"};
        HashMap<Integer, String> pokerMap=new HashMap<Integer, String>();//存放牌的map
        ArrayList<Integer> list=new ArrayList<Integer>();//存放牌的索引
        int index=0; //索引
        for (String s1 : number) {
            for (String s2 : color) {
                pokerMap.put(index,s2.concat(s1));
                list.add(index);
                index++;
            
            }
        }
        //加入大小王
        pokerMap.put(index,"小王");
        list.add(index);
        index++;
        pokerMap.put(index,"大王");
        list.add(index);
        
        //洗牌
        Collections.shuffle(list);
        //System.out.println(list);
       
        //发牌，3个人玩 加上底牌3张 使用TreeSet 来存放索引，并自动对索引排好序
        TreeSet<Integer> mao=new TreeSet<Integer>();
        TreeSet<Integer> li=new TreeSet<Integer>();
        TreeSet<Integer> huang=new TreeSet<Integer>();
        TreeSet<Integer> dipai=new TreeSet<Integer>();
        
        for(int i=0;i<list.size();i++){
            if(i>=list.size()-3){//最后三张牌，作为底牌
               dipai.add(list.get(i));  
            }else if(i%3==0){
                mao.add(list.get(i));
            }else if(i%3==1){
                li.add(list.get(i));
            }else {
                huang.add(list.get(i));
            }
        }
        
        //看牌
        lookPoker(pokerMap,mao,"mao");
        lookPoker(pokerMap,li,"li");
        lookPoker(pokerMap,huang,"huang");
        lookPoker(pokerMap,dipai,"底牌");
    }

    /**
     * 看牌的方法
     * @param pokerMap 存放牌的map
     * @param mao  该玩家的牌的索引集合
     * @param name 玩家名字
     */
    private static void lookPoker(HashMap<Integer, String> pokerMap,
            TreeSet<Integer> mao, String name) {
        if(name.equals("底牌")){
            System.out.print("地主"+name+"的牌是：");
        }else{
            System.out.print("玩家"+name+"的牌是：");
        }
        for (Integer integer : mao) {
            System.out.print(pokerMap.get(integer)+" ");
        }
        
        System.out.println();
        
    }

}

运行截图：

斗地主程序运行截图.png

写在最后：
如果你看到这里，估计你也温故知新了吧，那就这样吧，这篇又臭又长的文章就到这里啦。文章中如果有错误，请大家给我提出来，大家一起学习进步，如果觉得我的文章给予你帮助，也请给我一个喜欢。

本系列文章：
Java复习之集合框架
 Java复习之IO流（上）
Java复习之IO流（下）

Java复习之集合框架

为什么会有集合框架？

集合的种类

Map集合的功能梳理：

Map类集合也有三种遍历方式：

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