JavaSE第16篇:集合之Collection集合下篇

核心概述:本篇我们将继续深入学习Collection集合之Set系列集合,并且会分析Set集合的源码,帮我我们更好的理解Set集合的特点。同时也会详细学习Java中的泛型、Collections工具类、数据结构红黑树的特点。

第一章:Collections工具类

1.1-Collections常用方法(记忆)

java.utils.Collections 是集合工具类,提供一系列静态方法用来对集合进行操作 。常用的方法如下:

  1. public static <T> boolean addAll(Collection<T> c, T... elements) :往集合中添加一些元素。
  2. public static void shuffle(List<?> list) 打乱顺序 :打乱集合顺序。
  3. public static <T> void sort(List<T> list) :将集合中元素按照默认规则排序。
  4. public static <T> void sort(List<T> list,Comparator<? super T> ):将集合中元素按照指定规则排序。

示例代码如下:

   ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();
    //public static <T> boolean addAll(Collection<T> c, T... elements) :往集合中添加一些元素。
    Collections.addAll(list, 1, 3, 4, 5, 6, 8, 7);
    System.out.println(list); // [1, 3, 4, 5, 6, 8, 7]
    //public static void shuffle(List<?> list) 打乱顺序 :打乱集合顺序。
    Collections.shuffle(list);
    System.out.println(list); // 随机顺序[5, 4, 6, 3, 7, 1, 8]
    //public static <T> void sort(List<T> list) :将集合中元素按照默认规则排序。
    Collections.sort(list);
    System.out.println(list); // 默认升序[1, 3, 4, 5, 6, 7, 8]
    //public static <T> void sort(List<T> list,Comparator<? super T> ) :将集合中元素按照指定规则排序。
    Collections.sort(list, new Comparator<Integer>() {
      @Override
      public int compare(Integer o1, Integer o2) {
        return o2-o1;
      }
    });
    System.out.println(list);

1.2-比较器Comparator接口(理解)

概述

public interface Comparator<T> 是一个比较功能,对一些对象的集合施加了一个整体排序。使用这个功能排序时,需要重写该接口中的方法:int compare(T o1, T o2),其中o1和o2代表集合中两个要比较的元素,比较其两个参数的顺序。 返回负整数,零或正整数,因为第一个参数小于,等于或大于第二个参数。

案例

需求:用集合存放一组学生对象,并使用集合工具类对集合中的学生对象排序(按照年龄从小到大的顺序排序)。

Student学生类

public class Student{
    private String name;
    private int age;
    //构造方法
    //get/set
    //toString
}

测试类

public static void main(String[] args) {
    ArrayList<Student> list = new ArrayList<Student>();
    list.add(new Student("rose",18));
    list.add(new Student("jack",16));
    list.add(new Student("abc",20));
    Collections.sort(list, new Comparator<Student>() {  
        // 匿名内部类中重写Compare方法
        @Override
        public int compare(Student o1, Student o2) {
            return o1.getAge()-o2.getAge();//以学生的年龄升序
           // return o2.getAge() - o2.getAge();   // 倒序
        }
     });
    }

    for (Student student : list) {
        System.out.println(student);
    }
 }
/*   结果:
    Student{name='jack', age=16}
    Student{name='rose', age=18}
    Student{name='abc', age=20}
*/

第二章:泛型

2.1-概述(了解)

在前面学习集合时,我们都知道集合中是可以存放任意对象的,只要把对象存储集合后,那么这时他们都会被提升成Object类型。当我们在取出每一个对象,并且进行相应的操作,这时必须采用类型转换。

我们来看下面一段代码:

package www.penglei666.com.Demo03;

import java.util.ArrayList;
import java.util.Collection;
import java.util.Iterator;

public class Test01 {
    public static void main(String[] args) {
        Collection coll = new ArrayList();
        coll.add("abc");
        coll.add("leigege");
        coll.add(5);//由于集合没有做任何限定,任何类型都可以给其中存放
        Iterator it = coll.iterator();
        while(it.hasNext()){
            //需要打印每个字符串的长度,就要把迭代出来的对象转成String类型
            String str = (String) it.next();
            System.out.println(str.length());
        }
    }
}

异常:程序在运行时发生了问题java.lang.ClassCastException

问题:为什么会发生类型转换异常呢?

分析:由于集合中什么类型的元素都可以存储。导致取出时强转引发运行时 ClassCastException。

解决:怎么来解决这个问题呢?Collection虽然可以存储各种对象,但实际上通常Collection只存储同一类型对象。例如都是存储字符串对象。因此在JDK5之后,新增了泛型(Generic)语法,让你在设计API时可以指定类或方法支持泛型,这样我们使用API的时候也变得更为简洁,并得到了编译时期的语法检查。

泛型:泛型,未知的类型,可以在类或方法中预支地使用未知的类型。使用泛型可以避免类型转换的麻烦。

注意:一般在创建对象时,将未知的类型确定具体的类型。

2.2-泛型的作用(了解)

上一节只是讲解了泛型的引入,那么泛型带来了哪些好处呢?

  • 将运行时期的ClassCastException,转移到了编译时期变成了编译失败。
  • 避免了类型强转的麻烦。

通过我们如下代码体验一下:

public static void main(String[] args) {
    Collection<String> list = new ArrayList<String>();
    list.add("abc");
    list.add("leigege");
    // list.add(5);//当集合明确类型后,存放类型不一致就会编译报错
    // 集合已经明确具体存放的元素类型,那么在使用迭代器的时候,迭代器也同样会知道具体遍历元素类型
    Iterator<String> it = list.iterator();
    while(it.hasNext()){
    String str = it.next();
    //当使用Iterator<String>控制元素类型后,就不需要强转了。获取到的元素直接就是String类型
    System.out.println(str.length());
    }
}

2.3-定义和使用(记忆)

我们在集合中会大量使用到泛型,这里来完整地学习泛型知识。

泛型,用来灵活地将数据类型应用到不同的类、方法、接口当中。将数据类型作为参数进行传递。

定义和使用含有泛型的类

定义如下:

修饰符 class 类名<代表泛型的变量> { }

例如,API中的ArrayList集合:

泛型在定义的时候不具体,使用的时候才变得具体。在使用的时候确定泛型的具体数据类型。

class ArrayList<E>{ 
    public boolean add(E e){ }

    public E get(int index){ }
    ....
}

使用泛型: 即什么时候确定泛型。

在创建对象的时候确定泛型

例如,ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();

此时,变量E的值就是String类型,那么我们的类型就可以理解为:

class ArrayList<String>{ 
     public boolean add(String e){ }

     public String get(int index){  }
     ...
}

再例如,ArrayList<Integer> list = new ArrayList<Integer>();

此时,变量E的值就是Integer类型,那么我们的类型就可以理解为:

class ArrayList<Integer> { 
     public boolean add(Integer e) { }

     public Integer get(int index) {  }
     ...
}

定义和使用含有的泛型方法

定义如下:

修饰符 <代表泛型的变量> 返回值类型 方法名(参数){  }

例如,

public class MyGenericMethod {    
    public <MVP> void show(MVP mvp) {
        System.out.println(mvp.getClass());
    }
    
    public <MVP> MVP show2(MVP mvp) {   
        return mvp;
    }
}

调用方法时,确定泛型的类型

public static void main(String[] args) {
    // 创建对象
    MyGenericMethod mm = new MyGenericMethod();
    // 演示看方法提示
    mm.show("aaa");
    mm.show(123);
    mm.show(12.45);
}

含有泛型的接口

定义格式:

public interface MyGenericInterface<E>{
    public abstract void add(E e);
    
    public abstract E getE();  
}

使用格式1:定义类时确定泛型的类型

例如

public class MyImp1 implements MyGenericInterface<String> {
    @Override
    public void add(String e) {
        // 省略...
    }

    @Override
    public String getE() {
        return null;
    }
}

此时,泛型E的值就是String类型。

使用格式2:始终不确定泛型的类型,直到创建对象时,确定泛型的类型

例如

public class MyImp2<E> implements MyGenericInterface<E> {
    @Override
    public void add(E e) {
         // 省略...
    }

    @Override
    public E getE() {
        return null;
    }
}

确定泛型:

public static void main(String[] args) {
    MyImp2<String>  my = new MyImp2<String>();  
    my.add("aa");
}

2.4-泛型通配符(了解)

当使用泛型类或者接口时,传递的数据中,泛型类型不确定,可以通过通配符<?>表示。但是一旦使用泛型的通配符后,只能使用Object类中的共性方法,集合中元素自身方法无法使用。

通配符的基本使用

泛型的通配符:不知道使用什么类型来接收的时候,此时可以使用?,?表示未知通配符。

此时只能遍历该集合,不能往该集合中存储数据。

import java.util.ArrayList;
import java.util.Collection;

public class Test03 {
    public static void main(String[] args) {
        Collection<Integer> list1 = new ArrayList<>();
        list1.add(1);
        list1.add(2);
        show(list1);
        Collection<String> list2 = new ArrayList<>();
        list2.add("abc");
        list2.add("def");
        show(list2);
    }
    public static void  show(Collection<?> list) {
        for (Object o : list) {
            System.out.println(o);
        }
    }
}

需要注意的是:泛型不存在继承关系 Collection<Object> list = new ArrayList<String>();这种是错误的。

受限泛型

之前设置泛型的时候,实际上是可以任意设置的,只要是类就可以设置。但是在JAVA的泛型中可以指定一个泛型的上限下限

泛型的上限

  • 格式类型名称 <? extends 类 > 对象名称
  • 意义只能接收该类型及其子类

泛型的下限

  • 格式类型名称 <? super 类 > 对象名称
  • 意义只能接收该类型及其父类型

示例

需求:创建老师类和班主任类,提供姓名和年龄属性,并都具有work方法。将多个老师对象和多个班主任对象存储到两个集合中。提供一个方法可以同时遍历这两个集合,并能调用work方法。

员工类代码

package www.penglei666.com.Demo04;

/**
 * 员工类
 */
public abstract class Employee {
    private String name;
    private int age;

    public Employee() {
    }

    public Employee(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }
    public abstract void work();

    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;
    }
}

教师类代码

package www.penglei666.com.Demo04;

public class Teacher extends Employee {
    public Teacher(){}
    public Teacher(String name,int age) {
        super(name,age);
    }
    @Override
    public void work() {
        System.out.println(this.getName() + "老师,传道受业解惑");
    }
}

班主任类代码

package www.penglei666.com.Demo04;

public class Manger  extends Employee{
    public Manger(){}
    public Manger(String name,int age) {
        super(name,age);
    }
    @Override
    public void work() {
        System.out.println(this.getName() + "老班,严格纪律管理班级");
    }
}

测试类代码

package www.penglei666.com.Demo04;

import java.util.ArrayList;
import java.util.Collection;

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Collection<Teacher> list1 = new ArrayList<>();
        list1.add(new Teacher("王建国",30));
        list1.add(new Teacher("李树根",40));
        Collection<Manger> list2 = new ArrayList<>();
        list2.add(new Manger("刘邦",50));
        list2.add(new Manger("李世民",22));
        show(list1);
        show(list2);
    }
    public static void show(Collection<? extends Employee> list){
        for (Employee employee : list) {
            employee.work();
        }
    }
}

第三章:数据结构-红黑树

3.1-什么是红黑树(了解)

红黑树(Red Black Tree) 是一种自平衡二叉查找树,可以通过红色节点和黑色节点尽可能的保证二叉树的平衡,从而来提高效率。

image

3.2-红黑树的约束和作用(了解)

约束

  1. 节点可以是红色的或者黑色的。
  2. 根节点是黑色的。
  3. 叶子节点(特指空节点)是黑色的。
  4. 每个红色节点的子节点都是黑色的。
  5. 任何一个节点到其每一个叶子节点的所有路径上黑色节点数相同。

作用

查询速度快,在进行插入和删除操作时通过特定操作保持二叉查找树的平衡,从而获得较高的查找性能。

比如查找15,会先和根节点13比较,比13大则查询根节点右侧并且不查询左侧数据;和17比较发现小于17,则查询17左侧不查询右侧,和15比较相等,则查找成功。

第四章:Set集合

4.1-概述(了解)

java.util.Set接口和java.util.List接口一样,同样继承自Collection接口,它与Collection接口中的方法基本一致,并没有对Collection接口进行功能上的扩充,只是比Collection接口更加严格了。与List接口不同的是,Set接口下的集合不存储重复的元素。

Set集合有多个子类,这里我们介绍其中的java.util.HashSetjava.util.LinkedHashSet这两个集合。

注意:集合取出元素的方式可以采用:迭代器、增强for。

4.2-Set集合的使用(重点)

public static void main(String[] args)  {
    Set<String> set = new HashSet<String>();
    set.add("张三");
    set.add("李四");
    set.add("王五");
    set.add("赵六");
    set.add("陈琦");
    Iterator<String> it = set.iterator();
    while (it.hasNext()){
    String str = it.next();
        System.out.println(str);
    }
    for(String str : set){
     System.out.println(str);
    }
}

4.3-对象的哈希值(了解)

java.lang.Object类中定义了方法:public int hashCode()返回对象的哈希码值,任何类都继承Object,也都会拥有此方法。

定义Person类,不添加任何成员,直接调用Person对象的hashCode()方法,执行Object类的hashCode():

public class Person{}

测试类

public static void main(String[] args){
    Person person = new Person();
    int code = person.hashCode();
}

输出结果:

142666848

看到运行结果,就是一个int类型的整数,如果将这个整数转为十六进制就看到所谓的对象地址值,但是他不是地址值,我们将他称为对象的哈希值。

Person类重写hashCode()方法:直接返回0

public int hashCode(){
    return 0;
}

运行后,方法将执行Person类的重写方法,结果为0,属于Person类自定义对象的哈希值,而没有使用父类Object类方法hashCode()。

4.4-String对象的哈希值(了解)

示例代码

public static void main(String[] args){
    String s1 = new String("abc");
    String s2 = new String("abc");
    System.out.println(s1.hashCode());
    System.out.println(s2.hashCode());
}

程序分析:两个字符串对象都是采用new关键字创建的,s1==s2的结果为false,但是s1,s2两个对象的哈希值却是相同的,均为96354,原因是String类继承Object,重写了父类方法hashCode()建立自己的哈希值。

String类的hashCode方法源码分析

字符串底层实现是字符数组,被final修饰,一旦创建不能修改。

private final char value[];

定义字符串“abc”或者是new String("abc"),都会转成char value[]数组存储,长度为3。

/*
 *  String类重写方法hashCode()
 *  返回自定义的哈希值
 */
public int hashCode() {
    int h = hash;
    if (h == 0 && value.length > 0) {
        char val[] = value;

        for (int i = 0; i < value.length; i++) {
            h = 31 * h + val[i];
        }
        hash = h;
    }
    return h;
}

hashCode源码分析:

  • int h = hash,hash是成员变量,默认值0,int h = 0。
  • 判断h==0为true && value.length>0,数组value的长度为3,保存三个字符abc,判断结果整体为true。
  • char val[] = value,将value数组赋值给val数组。
  • for循环3次,将value数组进行遍历,取出abc三个字符。
    • 第一次循环: h = 31 * h + val[0],h = 31 * 0 + 97结果:h = 97。
    • 第二次循环: h = 31 * 97 + val[1],h = 31 * 97 + 98结果:h = 3105。
    • 第三次循环: h = 31 * 3105 + val[2],h = 31 * 3105 + 99结果:h = 96354。
  • return 96354。
  • 算法:31 * 上一次的哈希值+字符的ASCII码值,31属于质数,每次乘以31是为了降低字符串不同,但是计算出相同哈希值的概率。

4.5-哈希表(了解)

什么是哈希表呢?

JDK1.8之前,哈希表底层采用数组+链表实现,即使用数组处理冲突,同一hash值的链表都存储在一个数组里。但是当位于一个桶中的元素较多,即hash值相等的元素较多时,通过key值依次查找的效率较低。而JDK1.8中,哈希表存储采用数组+链表+红黑树实现,当链表长度超过阈值(8)时,将链表转换为红黑树,这样大大减少了查找时间。

  • 哈希表的初始化容量,数组长度为16个。
    • 当数组容量不够时,扩容为原数组长度的2倍
  • 加载因子为0.75。
    • 指示当数组的容量被使用到长度的75%时,进行扩容。

简单的来说,哈希表是由数组+链表+红黑树(JDK1.8增加了红黑树部分)实现的,如下图所示。

image

哈希表存储字符对象的过程图

image

总而言之,JDK1.8引入红黑树大程度优化了HashMap的性能,那么对于我们来讲保证HashSet集合元素的唯一,其实就是根据对象的hashCode和equals方法来决定的。如果我们往集合中存放自定义的对象,那么保证其唯一,就必须复写hashCode和equals方法建立属于当前对象的比较方式。

HashSet存储原理图

image

4.6-HashSet集合的特点(了解)

  • HashSet底层数据结构是单向哈希表
  • 不保证元素的迭代顺序,存储元素的顺序和取出元素的顺序不一致。
  • 此集合不允许存储重复元素。
    • 存储在此集合中的元素应该重写hashCode()和equals()方法保证唯一性。
  • 此集合具有数组,链表,红黑树三种结构特点。
  • 线程不安全,运行速度快。

4.7-HashSet存储自定义类型(重点)

给HashSet中存放自定义类型元素时,需要重写对象中的hashCode和equals方法,建立自己的比较方式,才能保证HashSet集合中的对象唯一.

创建自定义Student类:

public class Student {
    private String name;
    private int age;

    //get/set
    @Override
    public boolean equals(Object o) {
        if (this == o)
            return true;
        if (o == null || getClass() != o.getClass())
            return false;
        Student student = (Student) o;
        return age == student.age &&
               Objects.equals(name, student.name);
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        return Objects.hash(name, age);
    }
}

创建测试类:

public static void main(String[] args) {
    //创建集合对象   该集合中存储 Student类型对象
    HashSet<Student> stuSet = new HashSet<Student>();
    //存储 
    stuSet.add(new Student("于谦", 43));
    stuSet.add(new Student("郭德纲", 44));
    stuSet.add(new Student("于谦", 43));
    stuSet.add(new Student("郭麒麟", 23));

    for (Student stu2 : stuSet) {
        System.out.println(stu2);
    }
 }

4.8-哈希表源代码分析(了解)

对源码分析,可以更好的了解哈希表。

HashSet集合本身并不提供功能,底层依赖HashMap集合,HashSet构造方法中创建了HashMap对象:

map = new HashMap<>();

因此源代码分析是分析HashMap集合的源代码,HashSet集合中的add方法调研的是HashMap集合中的put方法。

HashMap无参数构造方法的分析

//HashMap中的静态成员变量
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
public HashMap() {
    this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}

解析:使用无参数构造方法创建HashMap对象,将加载因子设置为默认的加载因子,loadFactor=0.75F。

HashMap有参数构造方法分析

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
    if (initialCapacity < 0)
        throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
    initialCapacity);
    if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
        initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
    if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
        throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
    loadFactor);
    this.loadFactor = loadFactor;
    this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}

解析:带有参数构造方法,传递哈希表的初始化容量和加载因子

  • 如果initialCapacity(初始化容量)小于0,直接抛出异常。
  • 如果initialCapacity大于最大容器,initialCapacity直接等于最大容器
    • MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30 是最大容量 (1073741824)
  • 如果loadFactor(加载因子)小于等于0,直接抛出异常
  • tableSizeFor(initialCapacity)方法计算哈希表的初始化容量。
    • 注意:哈希表是进行计算得出的容量,而初始化容量不直接等于我们传递的参数。

tableSizeFor方法分析

static final int tableSizeFor(int cap) {
    int n = cap - 1;
    n |= n >>> 1;
    n |= n >>> 2;
    n |= n >>> 4;
    n |= n >>> 8;
    n |= n >>> 16;
    return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}

解析:该方法对我们传递的初始化容量进行位移运算,位移的结果是 8 4 2 1 码

  • 例如传递2,结果还是2,传递的是4,结果还是4。
  • 例如传递3,结果是4,传递5,结果是8,传递20,结果是32。

Node 内部类分析

哈希表是采用数组+链表的实现方法,HashMap中的内部类Node非常重要

 static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
     final int hash;
     final K key;
     V value;
     Node<K,V> next;
 Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
     this.hash = hash;
     this.key = key;
     this.value = value;
     this.next = next;
}

解析:内部类Node中具有4个成员变量

  • hash,对象的哈希值
  • key,作为键的对象
  • value,作为值得对象(讲解Set集合,不牵扯值得问题)
  • next,下一个节点对象

存储元素的put方法源码

public V put(K key, V value) {
    return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}

解析:put方法中调研putVal方法,putVal方法中调用hash方法。

  • hash(key)方法:传递要存储的元素,获取对象的哈希值
  • putVal方法,传递对象哈希值和要存储的对象key

putVal方法源码

Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        n = (tab = resize()).length;

解析:方法中进行Node对象数组的判断,如果数组是null或者长度等于0,那么就会调研resize()方法进行数组的扩容。

resize方法的扩容计算

 if (oldCap > 0) {
     if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
         threshold = Integer.MAX_VALUE;
         return oldTab;
     }
     else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
              oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
         newThr = oldThr << 1; // double threshold
}

解析:计算结果,新的数组容量=原始数组容量<<1,也就是乘以2。

确定元素存储的索引

if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
     tab[i] = newNode(hash, key, value, null);

解析:i = (数组长度 - 1) & 对象的哈希值,会得到一个索引,然后在此索引下tab[i],创建链表对象。

不同哈希值的对象,也是有可能存储在同一个数组索引下。

遇到重复哈希值的对象

 Node<K,V> e; K k;
 if (p.hash == hash &&
    ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
         e = p;

解析:如果对象的哈希值相同,对象的equals方法返回true,判断为一个对象,进行覆盖操作。

 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;
 }

解析:如果对象哈希值相同,但是对象的equals方法返回false,将对此链表进行遍历,当链表没有下一个节点的时候,创建下一个节点存储对象。

4.9-LinkedHashSet集合(重点)

具有可预知迭代顺序的 Set 接口的哈希表和链接列表实现。此实现与 HashSet的不同之外在于,后者维护着一个运行于所有条目的双重链接列表。此链接列表定义了迭代顺序,即按照将元素插入到 set 中的顺序(插入顺序)进行迭代。

public static void main(String[] args) {
    Set<String> set = new LinkedHashSet<String>();
    set.add("bbb");
    set.add("aaa");
    set.add("abc");
    set.add("bbc");
    Iterator<String> it = set.iterator();
    while (it.hasNext()) {
        System.out.println(it.next());
    }
    for(String s : set){
        System.out.println(s);
    }
}
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