Java集合架构：Collection，Map，Iterator，ArrayList，HashMap等API，实现方法相关
主要可以参考这个系列博客
Java集合工具包框架如下：
Java集合是java提供的工具包，包含了常用的数据结构：集合、链表、队列、栈、数组、映射等。Java集合工具包位置是java.util.*
Java集合主要可以划分为4个部分：List列表、Set集合、Map映射、工具类(Iterator迭代器、Enumeration枚举类、Arrays和Collections)。
接口和抽象类们
Collection
Collection定义如下：
public interface Collection<E> extends Iterable<E> {}
其重要子接口有List和Set。
Collection的API：
// Collection的API
abstract boolean add(E object)
abstract boolean addAll(Collection<? extends E> collection)
abstract void clear()
abstract boolean contains(Object object)
abstract boolean containsAll(Collection<?> collection)
abstract boolean equals(Object object)
abstract int hashCode()
abstract boolean isEmpty()
abstract Iterator<E> iterator()
abstract boolean remove(Object object)
abstract boolean removeAll(Collection<?> collection)
abstract boolean retainAll(Collection<?> collection)
abstract int size()
abstract <T> T[] toArray(T[] array)
abstract Object[] toArray()
Iterator
Iterator的定义如下：
public interface Iterator<E> {}
Iterator是一个接口，它是集合的迭代器。集合可以通过Iterator去遍历集合中的元素。Iterator提供的API接口，包括：是否存在下一个元素、获取下一个元素、删除当前元素。
// Iterator的API
abstract boolean hasNext()
abstract E next()
abstract void remove()
ListIterator
ListIterator的定义如下：
public interface ListIterator<E> extends Iterator<E> {}
ListIterator是一个继承于Iterator的接口，它是队列迭代器。专门用于便利List，能提供向前/向后遍历。相比于Iterator，它新增了添加、是否存在上一个元素、获取上一个元素等等API接口。
复制代码
// ListIterator的API
// 继承于Iterator的接口
abstract boolean hasNext()
abstract E next()
abstract void remove()
// 新增API接口
abstract void add(E object)
abstract boolean hasPrevious()
abstract int nextIndex()
abstract E previous()
abstract int previousIndex()
abstract void set(E object)
Set
Set的定义如下：
public interface Set<E> extends Collection<E> {}
Set是一个继承于Collection的接口，即Set也是集合中的一种。Set是没有重复元素的集合。
Set的API和Collection完全一样。
Set的实现类都是基于Map来实现的(HashSet是通过HashMap实现的，TreeSet是通过TreeMap实现的)
List
List的定义如下：
public interface List<E> extends Collection<E> {}
List是一个继承于Collection的接口，即List是集合中的一种。List是有序的队列，List中的每一个元素都有一个索引；第一个元素的索引值是0，往后的元素的索引值依次+1。和Set不同，List中允许有重复的元素。
关于API方面。既然List是继承于Collection接口，它自然就包含了Collection中的全部函数接口；由于List是有序队列，它也额外的有自己的API接口。主要有“添加、删除、获取、修改指定位置的元素”、“获取List中的子队列”等。
// 相比与Collection，List新增的API：
abstract void add(int location, E object)
abstract boolean addAll(int location, Collection<? extends E> collection)
abstract E get(int location)
abstract int indexOf(Object object)
abstract int lastIndexOf(Object object)
abstract ListIterator<E> listIterator(int location)
abstract ListIterator<E> listIterator()
abstract E remove(int location)
abstract E set(int location, E object)
abstract List<E> subList(int start, int end)
AbstractCollection, AbstractSet, AbstractList
AbstractCollection的定义如下：
public abstract class AbstractCollection<E> implements Collection<E> {}
AbstractCollection是一个抽象类，它实现了Collection中除iterator()和size()之外的函数。
AbstractCollection的主要作用：它实现了Collection接口中的大部分函数。从而方便其它类实现Collection，比如ArrayList、LinkedList等，它们这些类想要实现Collection接口，通过继承AbstractCollection就已经实现了大部分的接口方法了。
AbstractSet的定义如下：
public abstract class AbstractSet<E> extends AbstractCollection<E> implements Set<E> {}
AbstractSet是一个继承于AbstractCollection，和AbstractCollection几乎完全一样，它实现了List中除iterator()和size()之外的函数。
AbstractSet的主要作用：它实现了Set接口中的大部分函数。从而方便其它类实现Set接口。
AbstractList的定义如下：
public abstract class AbstractList<E> extends AbstractCollection<E> implements List<E> {}
AbstractList是一个继承于AbstractCollection，并且实现List接口的抽象类。它实现了List中除size()、get(int location)之外的函数。
AbstractList的主要作用：它实现了List接口中的大部分函数。从而方便其它类继承List。
它实现了iterator()接口。
Map
首先，我们看看Map架构。
如上图：
(01) Map 是映射接口，Map中存储的内容是键值对(key-value)。
(02) AbstractMap 是继承于Map的抽象类，它实现了Map中的大部分API。其它Map的实现类可以通过继承AbstractMap来减少重复编码。
(03) SortedMap 是继承于Map的接口。SortedMap中的内容是排序的键值对，排序的方法是通过比较器(Comparator)。
(04) NavigableMap 是继承于SortedMap的接口。相比于SortedMap，NavigableMap有一系列的导航方法；如"获取大于/等于某对象的键值对"、“获取小于/等于某对象的键值对”等等。
(05) TreeMap 继承于AbstractMap，且实现了NavigableMap接口；因此，TreeMap中的内容是“有序的键值对”！
(06) HashMap 继承于AbstractMap，但没实现NavigableMap接口；因此，HashMap的内容是“键值对，但不保证次序”！
(07) Hashtable 虽然不是继承于AbstractMap，但它继承于Dictionary(Dictionary也是键值对的接口)，而且也实现Map接口；因此，Hashtable的内容也是“键值对，也不保证次序”。但和HashMap相比，Hashtable是线程安全的，而且它支持通过Enumeration去遍历。
(08) WeakHashMap 继承于AbstractMap。它和HashMap的键类型不同，WeakHashMap的键是“弱键”。
Map的定义如下：
public interface Map<K,V> { }
Map 是一个键值对(key-value)映射接口。Map映射中不能包含重复的键；每个键最多只能映射到一个值。
Map 接口提供三种collection 视图，允许以键集、值集或键-值映射关系集的形式查看某个映射的内容。
Map 映射顺序。有些实现类，可以明确保证其顺序，如 TreeMap；另一些映射实现则不保证顺序，如 HashMap 类。
Map的API：
abstract void clear()
abstract boolean containsKey(Object key)
abstract boolean containsValue(Object value)
abstract Set<Entry<K, V>> entrySet()
abstract boolean equals(Object object)
abstract V get(Object key)
abstract int hashCode()
abstract boolean isEmpty()
abstract Set<K> keySet()
abstract V put(K key, V value)
abstract void putAll(Map<? extends K, ? extends V> map)
abstract V remove(Object key)
abstract int size()
abstract Collection<V> values()
因为Map中不能包含重复的键；每个键最多只能映射到一个值。所以，键-值集、键集都是Set，值集是Collection。
Map.Entry
Map.Entry的定义如下：
interface Entry<K,V> { }
Map.Entry是Map中内部的一个接口，Map.Entry是键值对，Map通过 entrySet() 获取Map.Entry的键值对集合，从而通过该集合实现对键值对的操作。
Map.Entry的API:
abstract boolean equals(Object object)
abstract K getKey()
abstract V getValue()
abstract int hashCode()
abstract V setValue(V object)
AbstractMap
AbstractMap的定义如下：
public abstract class AbstractMap<K,V> implements Map<K,V> {}
AbstractMap类提供 Map 接口的骨干实现，以最大限度地减少实现此接口所需的工作。
SortedMap
SortedMap的定义如下：
public interface SortedMap<K,V> extends Map<K,V> { }
SortedMap是一个继承于Map接口的接口。它是一个有序的SortedMap键值映射。
SortedMap的排序方式有两种：自然排序 或者 用户指定比较器。 插入有序 SortedMap 的所有元素都必须实现 Comparable 接口（或者被指定的比较器所接受）。
NavigableMap
NavigableMap的定义如下：
public interface NavigableMap<K,V> extends SortedMap<K,V> { }
NavigableMap是继承于SortedMap的接口。它是一个可导航的键-值对集合，具有了为给定搜索目标报告最接近匹配项的导航方法。
NavigableMap分别提供了获取“键”、“键-值对”、“键集”、“键-值对集”的相关方法。
Dictionary
Dictionary的定义如下：
public abstract class Dictionary<K,V> {}
NavigableMap是JDK 1.0定义的键值对的接口，它也包括了操作键值对的基本函数。
常用集合类
ArrayList
ArrayList 是一个数组队列，相当于 动态数组。与Java中的数组相比，它的容量能动态增长。它继承于AbstractList，实现了List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable这些接口。
其中实现RandmoAccess接口，即提供了随机访问功能；实现Cloneable接口，即覆盖了函数clone()，能被克隆；实现java.io.Serializable接口，这意味着ArrayList支持序列化，能通过序列化去传输。
和Vector不同，ArrayList中的操作不是线程安全的！所以，建议在单线程中才使用ArrayList，而在多线程中可以选择Vector或者CopyOnWriteArrayList。
ArrayList包含了两个重要的对象：elementData 和 size。elementData 是"Object[]类型的数组"，它保存了添加到ArrayList中的元素。实际上，elementData是个动态数组，我们能通过构造函数 ArrayList(int initialCapacity)来执行它的初始容量为initialCapacity；如果通过不含参数的构造函数ArrayList()来创建ArrayList，则elementData的容量默认是10。elementData数组的大小会根据ArrayList容量的增长而动态的增长，具体的增长方式，请参考源码分析中的ensureCapacity()函数。size 则是动态数组的实际大小。
ArrayList实现和扩容：
(1)当我们构造ArrayList时；若使用默认构造函数，则ArrayList的默认容量大小是10。
(2)当ArrayList容量不足以容纳全部元素时，ArrayList会重新设置容量：新的容量=“(原始容量x3)/2 + 1”。具体的：源码中，add方法在向elementData数组添加元素前，会先调用ensureCapacity方法来确保容量足够。若容量不足，会将容量扩增为：新的容量=(原始容量x3)/2 + 1；如果还不够，则直接扩增为新的需求容量。
(3)ArrayList的克隆函数，即是将全部元素克隆到一个数组中。
更具体可以参考Java 集合系列03之 ArrayList详细介绍(源码解析)和使用示例
LinkedList
LinkedList 是一个继承于AbstractSequentialList的双向链表。它也可以被当作堆栈、队列或双端队列进行操作。
LinkedList 实现 List 接口，能对它进行队列操作。
LinkedList 实现 Deque 接口，即能将LinkedList当作双端队列使用。
LinkedList 还实现了Cloneable接口，java.io.Serializable接口。
LinkedList 是非同步的。
LinkedList包含两个重要的成员：header 和 size。header是双向链表的表头，它是双向链表节点所对应的类Entry的实例。Entry中包含成员变量： previous, next, element。其中，previous是该节点的上一个节点，next是该节点的下一个节点，element是该节点所包含的值。 size是双向链表中节点的个数。
LinkedList的API
boolean add(E object)
void add(int location, E object)
boolean addAll(Collection<? extends E> collection)
boolean addAll(int location, Collection<? extends E> collection)
void addFirst(E object)
void addLast(E object)
void clear()
Object clone()
boolean contains(Object object)
Iterator<E> descendingIterator()
E element()
E get(int location)
E getFirst()
E getLast()
int indexOf(Object object)
int lastIndexOf(Object object)
ListIterator<E> listIterator(int location)
boolean offer(E o)
boolean offerFirst(E e)
boolean offerLast(E e)
E peek()
E peekFirst()
E peekLast()
E poll()
E pollFirst()
E pollLast()
E pop()
void push(E e)
E remove()
E remove(int location)
boolean remove(Object object)
E removeFirst()
boolean removeFirstOccurrence(Object o)
E removeLast()
boolean removeLastOccurrence(Object o)
E set(int location, E object)
int size()
<T> T[] toArray(T[] contents)
Object[] toArray()
其中，作为队列使用，有如下对应：
队列方法 等效方法
add(e) addLast(e)
offer(e) offerLast(e)
remove() removeFirst()
poll() pollFirst()
element() getFirst()
peek() peekFirst()
作为栈使用，有如下对应：
栈方法 等效方法
push(e) addFirst(e)
pop() removeFirst()
peek() peekFirst()
LinkedList实际上是通过双向链表去实现的。既然是双向链表，那么它的顺序访问会非常高效，而随机访问效率比较低。
LinkedList也实现了List接口{也就是说，它实现了get(int location)、remove(int location)等“根据索引值来获取、删除节点的函数”}。LinkedList是如何实现List的这些接口的，如何将“双向链表和索引值联系起来的”？
实际原理非常简单，它就是通过一个计数索引值来实现的。例如，当我们调用get(int location)时，首先会比较“location”和“双向链表长度的1/2”；若前者大，则从链表头开始往后查找，直到location位置；否则，从链表末尾开始先前查找，直到location位置。这就是“双线链表和索引值联系起来”的方法。
LinkedList实现：
(1) LinkedList 实际上是通过双向链表去实现的。它包含一个非常重要的内部类：Entry。Entry是双向链表节点所对应的数据结构，它包括的属性有：当前节点所包含的值，上一个节点，下一个节点。
(2) 从LinkedList的实现方式中可以发现，它不存在LinkedList容量不足的问题。
具体参考Java 集合系列05之 LinkedList详细介绍(源码解析)和使用示例
Vector
Vector 是矢量队列，它是JDK1.0版本添加的类。继承于AbstractList，实现了List, RandomAccess, Cloneable这些接口。这和ArrayList是一样的，其API也和ArrayList非常接近。
而和ArrayList不同是，Vector中的操作是线程安全的。
Vector的数据结构和ArrayList差不多，它包含了3个成员变量：elementData , elementCount， capacityIncrement。其中elementData为数据数组，elementCount为数据大小，capacityIncrement 是动态数组的增长系数。如果在创建Vector时，指定了capacityIncrement的大小，则每次当Vector中动态数组容量增加时，增加的大小都是capacityIncrement。
线程安全的原因是其方法都加了关键词synchronized。
Stack
java工具包中的Stack是继承于Vector(矢量队列)的，由于Vector是通过数组实现的，这就意味着，Stack也是通过数组实现的，而非链表。当然，我们也可以将LinkedList当作栈来使用。
(1) Stack实际上也是通过数组去实现的。
执行push时(即，将元素推入栈中)，是通过将元素追加的数组的末尾中。
执行peek时(即，取出栈顶元素，不执行删除)，是返回数组末尾的元素。
执行pop时(即，取出栈顶元素，并将该元素从栈中删除)，是取出数组末尾的元素，然后将该元素从数组中删除。
(2) Stack继承于Vector，意味着Vector拥有的属性和功能，Stack都拥有。
HashMap
HashMap 是一个散列表，它存储的内容是键值对(key-value)映射。
HashMap 继承于AbstractMap，实现了Map、Cloneable、java.io.Serializable接口。
HashMap 的实现不是同步的，这意味着它不是线程安全的。它的key、value都可以为null。
HashMap中的映射不是有序的。
HashMap 的实例有两个参数影响其性能：“初始容量” 和 “加载因子”。容量 是哈希表中桶的数量，初始容量 只是哈希表在创建时的容量。加载因子 是哈希表在其容量自动增加之前可以达到多满的一种尺度。当哈希表中的条目数超出了加载因子与当前容量的乘积时，则要对该哈希表进行 rehash 操作（即重建内部数据结构），从而哈希表将具有大约两倍的桶数。
通常，默认加载因子是 0.75, 这是在时间和空间成本上寻求一种折衷。加载因子过高虽然减少了空间开销，但同时也增加了查询成本（在大多数 HashMap 类的操作中，包括 get 和 put 操作，都反映了这一点）。在设置初始容量时应该考虑到映射中所需的条目数及其加载因子，以便最大限度地减少 rehash 操作次数。如果初始容量大于最大条目数除以加载因子，则不会发生 rehash 操作。
HashMap是通过"拉链法"(解决哈希冲突)实现的哈希表。它包括几个重要的成员变量：table, size, threshold, loadFactor, modCount。
table是一个Entry[]数组（链表数组）类型，而Entry实际上就是一个单向链表。哈希表的"key-value键值对"都是存储在Entry数组中的。
size是HashMap的大小，它是HashMap保存的键值对的数量。
threshold是HashMap的阈值，用于判断是否需要调整HashMap的容量。threshold的值="容量*加载因子"，当HashMap中存储数据的数量达到threshold时，就需要将HashMap的容量加倍。
loadFactor就是加载因子。
modCount是用来实现fail-fast机制的。
** HashMap实现：**
(1)默认初始容量为16
(2)当HashMap中存储的数据量大于threshold时，将容量翻倍，并进行rehash操作
(3)拉链法见哈希拉链法
（解决哈希冲突的方法：1.拉链法（链表数组）；2.线性探测法（index+1可循环）；3.二次探测法(index+{\(+1^2,-1^2,2^2,-2^2,...\)}))
HashTable
和HashMap一样，Hashtable 也是一个散列表，它存储的内容是键值对(key-value)映射。
Hashtable 继承于Dictionary，实现了Map、Cloneable、java.io.Serializable接口。
Hashtable 的函数都是同步的，这意味着它是线程安全的。它的key、value都不可以为null。
Hashtable中的映射不是有序的。
所以HashMap其实是和HashTable很像的，不过Hashtable继承自Dictionary抽象类，其中的方法以及Hashtable自己的方法都通过synchronized关键字约束了多个线程不能同时使用，进而变成了线程安全。
TreeMap
TreeMap 是一个有序的key-value集合，它是通过红黑树实现的。
TreeMap 继承于AbstractMap，所以它是一个Map，即一个key-value集合。
TreeMap 实现了NavigableMap接口，意味着它支持一系列的导航方法。比如返回有序的key集合。
TreeMap 实现了Cloneable接口，意味着它能被克隆。
TreeMap 实现了java.io.Serializable接口，意味着它支持序列化。
TreeMap基于红黑树（Red-Black tree）实现。该映射根据其键的自然顺序进行排序，或者根据创建映射时提供的 Comparator 进行排序，具体取决于使用的构造方法。
TreeMap的基本操作 containsKey、get、put 和 remove 的时间复杂度是 log(n) 。
另外，TreeMap是非同步的。 它的iterator 方法返回的迭代器是fail-fastl的。
TreeMap的本质是R-B Tree(红黑树)，它包含几个重要的成员变量： root, size, comparator。
root 是红黑数的根节点。它是Entry类型，Entry是红黑数的节点，它包含了红黑数的6个基本组成成分：key(键)、value(值)、left(左孩子)、right(右孩子)、parent(父节点)、color(颜色)。Entry节点根据key进行排序，Entry节点包含的内容为value。
红黑数排序时，根据Entry中的key进行排序；Entry中的key比较大小是根据比较器comparator来进行判断的。
size是红黑数中节点的个数。
HashSet
HashSet 是一个没有重复元素的集合。
它是由HashMap实现的，不保证元素的顺序，而且HashSet允许使用 null 元素。
HashSet是非同步的。
HashSet的本质是一个"没有重复元素"的集合，它是通过HashMap实现的。HashSet中含有一个"HashMap类型的成员变量"map，HashSet的操作函数，实际上都是通过map实现的。
TreeSet
TreeSet 是一个有序的集合，它的作用是提供有序的Set集合。它继承于AbstractSet抽象类，实现了NavigableSet
TreeSet 继承于AbstractSet，所以它是一个Set集合，具有Set的属性和方法。
TreeSet 实现了NavigableSet接口，意味着它支持一系列的导航方法。比如查找与指定目标最匹配项。
TreeSet 实现了Cloneable接口，意味着它能被克隆。
TreeSet 实现了java.io.Serializable接口，意味着它支持序列化。
TreeSet是基于TreeMap实现的。
浙公网安备 33010602011771号