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【技术积累】Java中的集合框架【一】

2023-06-18 09:05:43 来源：博客园

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：

(资料图片仅供参考)

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；
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；
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

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。
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。
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 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 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 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

hasNext()：判断是否还有下一个元素；
next()：返回当前元素，并移动指针到下一个元素；
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

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

迭代器遍历集合的步骤

使用集合对象的 iterator() 方法获取迭代器对象；
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；
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

通过集合对象的iterator()方法获取迭代器对象；
判断是否还有下一个元素，如果有，则返回true，否则返回false；
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 list = new ArrayList();        // 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 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 list = new ArrayList<>(Arrays.asList("a", "b", "c"));Iterator 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 list = new CopyOnWriteArrayList<>(Arrays.asList("a", "b", "c"));Iterator 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：

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。
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)。
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。
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。
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 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 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：

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。
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。
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。
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。
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：

底层实现：Stack是用数组实现的，而LinkedList则是使用链表实现的。
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。
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。
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。
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 list = new ArrayList<>();System.out.println(list.isEmpty()); // truelist.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 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。

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