集合框架

Java集合框架提供了一组用于存储和操作对象的类和接口。它提供了各种集合类型，包括列表、集合和映射等，以满足不同的需求。

主要的集合接口

Java集合框架的主要接口如下：

  • List：有序、可重复的集合。常用的实现类有ArrayList和LinkedList。

  • Set：无序、不可重复的集合。常用的实现类有HashSet和TreeSet。

  • Queue：一种特殊的集合，按照先进先出（FIFO）的顺序操作元素。常用的实现类有LinkedList和PriorityQueue。

  • Map：键值对的集合。常用的实现类有HashMap和TreeMap。

list

List是Java集合框架中的一种有序、可重复的集合类型。它提供了按索引访问元素、添加和删除元素的功能。在Java中，List的主要实现类有ArrayList和LinkedList。

ArrayList的原理

ArrayList是基于数组实现的List，它内部使用一个动态分配的数组来存储元素。当元素数量超过数组的容量时，ArrayList会自动进行扩容，以容纳更多的元素。

ArrayList的特点

  • 随机访问：由于ArrayList基于数组实现，可以通过索引直接访问元素，因此在读取和修改元素时具有较高的性能。

  • 动态扩容：ArrayList会自动扩容，以适应元素数量的增长。扩容时，会创建一个更大的数组，并将现有元素复制到新数组中。

ArrayList的扩容机制

  • 初始容量：ArrayList在创建时会分配一个初始容量，默认为10。可以通过构造函数指定初始容量大小。

  • 扩容策略：当ArrayList中的元素数量超过当前容量时，会按照一定的扩容策略进行扩容。一般来说，新容量为当前容量的1.5倍。

  • 复制元素：在扩容过程中，ArrayList会创建一个新的更大容量的数组，并将现有元素复制到新数组中。

LinkedList的原理

LinkedList是基于链表实现的List，它内部使用链表来存储元素。链表中的每个节点都包含一个指向前一个节点和后一个节点的引用。

LinkedList的特点：

  • 插入和删除：由于LinkedList基于链表实现，在插入和删除元素时具有较高的性能。它不需要像ArrayList那样进行数组的扩容和元素的移动。

  • 链表遍历：由于LinkedList是基于链表实现的，按索引访问元素的性能较低。因此，在需要频繁按索引访问元素时，ArrayList更适合。

实战难点优化

在实际应用中，使用List可能会遇到一些实战难点，需要进行优化。以下是一些常见的实战难点和优化方法：

  1. 初始容量设置：如果事先知道List的大致元素数量，可以在创建ArrayList时指定一个合适的初始容量，以避免频繁的扩容操作。

List<String> list = new ArrayList<>(100); // 设置初始容量为100

  1. 避免频繁扩容：如果能预估到元素数量的上限，可以一次性设置一个较大的初始容量，避免频繁的扩容操作。这样可以提高性能。

  2. 使用Iterator遍历：当需要遍历List时，使用Iterator而不是通过索引访问元素。使用Iterator可以提供更好的性能和安全性。

List<String> list = new ArrayList<>();
// 添加元素到list
​
// 使用Iterator遍历
Iterator<String> iterator = list.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
    String element = iterator.next();
    // 处理元素
}

  1. 合理选择List实现类：根据实际需求选择合适的List实现类。ArrayList适用于随机访问和修改元素的场景，而LinkedList适用于频繁的插入和删除操作。

  2. 使用subList()方法：ArrayList提供了subList()方法，可以获取原List的子列表，这样可以避免创建新的ArrayList对象。

List<String> originalList = new ArrayList<>();
// 添加元素到originalList
​
List<String> subList = originalList.subList(startIndex, endIndex);
// 使用subList进行操作

Set

Set是Java集合框架中的一种无序、不可重复的集合类型。它通过哈希表或红黑树实现元素的存储和查找。在Java中，常用的Set实现类有HashSet和TreeSet。

HashSet的原理

HashSet基于哈希表实现，它使用哈希函数将元素映射到哈希表中的位置。HashSet的特点：

  • 哈希存储：HashSet使用哈希函数计算元素的哈希码，根据哈希码确定元素在哈希表中的位置。

  • 无序性：HashSet中的元素没有固定的顺序，每次遍历元素的顺序可能不同。

TreeSet的原理

TreeSet基于红黑树实现，它对元素进行有序存储。TreeSet的特点：

  • 有序性：TreeSet中的元素按照一定的排序规则进行排序，可以自然排序或自定义排序。

  • 平衡二叉树：TreeSet内部使用平衡二叉树（红黑树）来存储元素，以保持元素的有序性。

实战难点及优化

在实际应用中，使用Set可能会遇到一些实战难点，需要进行优化。以下是一些常见的实战难点和优化方法：

  1. 元素的唯一性：Set保证元素的唯一性，需要正确实现对象的equals()和hashCode()方法。确保两个对象相等（根据业务需求定义）时，它们的哈希码也相等。

  2. 自定义排序：如果使用TreeSet，并需要自定义元素的排序规则，需要实现Comparable接口或提供自定义的Comparator对象。

  3. 性能优化：Set的性能与哈希函数和哈希表的性能密切相关。一些优化方法包括：

    • 合理选择初始容量：在创建HashSet时，可以预估元素数量，并指定一个合适的初始容量，以减少哈希表的扩容次数。

    • 优化哈希函数：对于自定义对象，实现良好的哈希函数可以提高HashSet的性能。哈希函数应该均匀地分布元素，并尽量避免哈希冲突。

    • 避免频繁扩容：当元素数量超过哈希表容量时，HashSet会自动扩容。如果能预估到元素数量的上限，可以一次性设置一个较大的初始容量，避免频繁的扩容操作。

Map

Map是Java集合框架中的一种键值对(Key-Value)存储结构，它提供了一种通过键快速查找值的方式。Map中的键是唯一的，每个键关联着一个对应的值。

Java中常见的Map实现类有HashMap、LinkedHashMap和TreeMap。它们之间具有不同的特性、原理、扩容机制以及实战难点优化。

HashMap

  • 特性：

    • 键唯一性：HashMap中的键是唯一的，不允许重复。

    • 无序性：HashMap中的键值对没有固定的顺序。

  • 原理：

    • 哈希存储：HashMap使用哈希函数计算键的哈希码，并根据哈希码存储键值对。

    • 哈希冲突：如果多个键计算得到的哈希码相同，即出现哈希冲突，HashMap使用链表或红黑树解决冲突。

  • 扩容机制：

    • 初始容量：HashMap在创建时会分配一个初始容量，默认为16。可以通过构造函数指定初始容量大小。

    • 负载因子：HashMap还有一个负载因子的概念，默认为0.75。负载因子表示哈希表元素数量与容量的比值。

    • 扩容触发：当HashMap中的元素数量超过容量与负载因子的乘积时，即元素数量达到容量 * 负载因子，HashMap会自动进行扩容操作。

    • 扩容操作：在扩容过程中，HashMap会创建一个新的两倍大小的哈希表，并将原哈希表中的键值对重新计算哈希码并存储到新的哈希表中。

LinkedHashMap

  • 特性：

    • 键唯一性：LinkedHashMap中的键是唯一的，不允许重复。

    • 有序性：LinkedHashMap中的键值对按照插入顺序或访问顺序进行排序。

  • 原理：

    • 哈希存储：LinkedHashMap继承自HashMap，同时使用哈希表和双向链表实现。

    • 顺序保持：LinkedHashMap通过双向链表来维护插入顺序或访问顺序，保持键值对的有序性。

  • 扩容机制和HashMap相同。

TreeMap

  • 特性：

    • 键唯一性：TreeMap中的键是唯一的，不允许重复。

    • 有序性：TreeMap中的键值对按照键的自然顺序或自定义顺序进行排序。

  • 原理：

    • 有序存储：TreeMap使用红黑树实现，通过键的比较进行排序。

  • 扩容机制和HashMap相同。

实战难点优化

在使用Map时，可以考虑以下实战难点和优化策略：

  1. 合理选择Map的实现类：根据实际需求和特性选择合适的Map实现类。

  2. 初始容量：根据预估的元素数量设置合适的初始容量，避免频繁的扩容操作。

  3. 负载因子：根据实际需求调整负载因子，平衡哈希表的装载程度和查找性能。

  4. 自定义对象的键：如果自定义对象作为键，需要正确实现hashCode()和equals()方法，保证对象的唯一性。

  5. 并发访问：如果多个线程同时访问Map，考虑使用ConcurrentHashMap或加锁机制保证线程安全性。

Queue

在Java的集合框架中，Queue（队列）是一种特殊的集合类型，它遵循先进先出（FIFO）的原则。Queue接口继承自java.util.Collection接口，定义了一组与队列操作相关的方法。Java提供了多个Queue的实现类，每个实现类都具有不同的特性和适用场景。

下面介绍几种常见的Queue实现类以及它们的特性、原理和实战用法：

1. LinkedList

LinkedList实现了Queue接口，同时也实现了List接口。它基于链表结构，具有动态大小和高效的插入和删除操作。

特性：

  • 允许插入和删除操作在队列的两端（队头和队尾）进行。

  • 可以作为队列或双端队列使用。

  • 不支持并发访问，非线程安全。

原理： LinkedList内部使用双向链表来存储元素，通过维护头部和尾部引用，实现了在队列两端进行高效的插入和删除操作。

实战用法：

Queue<String> queue = new LinkedList<>();
queue.offer("apple"); // 插入元素到队尾
queue.offer("banana");
String head = queue.peek(); // 获取队头元素
String removedElement = queue.poll(); // 删除并返回队头元素

2. ArrayDeque

ArrayDeque实现了Queue接口，同时也实现了Deque接口。它基于循环数组结构，具有动态大小和高效的插入和删除操作。

特性：

  • 允许插入和删除操作在队列的两端（队头和队尾）进行。

  • 可以作为队列、栈或双端队列使用。

  • 不支持并发访问，非线程安全。

原理： ArrayDeque内部使用循环数组来存储元素，通过头部和尾部指针的移动，实现了在队列两端进行高效的插入和删除操作。当数组空间不足时，会进行动态扩容。

实战用法：

Queue<String> queue = new ArrayDeque<>();
queue.offer("apple");
queue.offer("banana");
String head = queue.peek();
String removedElement = queue.poll();

3. PriorityQueue

PriorityQueue实现了Queue接口，它是一个优先级队列，根据元素的优先级进行排序。

特性：

  • 元素按照自然顺序或通过Comparator进行排序。

  • 高效地插入和删除具有最高优先级的元素。

  • 不支持并发访问，非线程安全。

原理： PriorityQueue内部使用堆（二叉堆）数据结构来实现，保证了在插入和删除操作时，具有最高优先级的元素位于队列的头部。

实战用法：

Queue<Integer> queue = new PriorityQueue<>();
queue.offer(5);
queue.offer(2);
int head = queue.peek();
int removedElement = queue.poll();

4. BlockingQueue

BlockingQueue是一个接口，它扩展了Queue接口，并提供了支持阻塞操作的方法。Java提供了多个实现类，如ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue。

特性：

  • 支持阻塞插入和获取操作，当队列满或空时，线程会被阻塞。

  • 可以用于实现生产者-消费者模型。

  • 支持并发访问，线程安全。

原理： BlockingQueue的实现类使用内部锁和条件变量来实现线程的等待和唤醒机制，以实现阻塞操作。

实战用法：

BlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<>(10);
queue.put("apple"); // 阻塞插入元素到队尾
String element = queue.take(); // 阻塞获取并移除队头元素