Java 集合框架看這一篇就夠了
本文公眾號來源：碼農(nóng)田小齊作者：小齊本齊本文已收錄至我的GitHub
話不多說，直接上圖：
Java 集合，也稱作容器，主要是由兩大接口 (Interface) 派生出來的：Collection 和 Map
顧名思義，容器就是用來存放數(shù)據(jù)的。
那么這兩大接口的不同之處在于：
- Collection 存放單一元素；
- Map 存放 key-value 鍵值對。
就是單身狗放 Collection 里面，couple 就放 Map 里。（所以你屬于哪里？
學(xué)習(xí)這些集合框架，我認(rèn)為有 4 個(gè)目標(biāo)：
- 明確每個(gè)接口和類的對應(yīng)關(guān)系；
- 對每個(gè)接口和類，熟悉常用的 API；
- 對不同的場景，能夠選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并分析優(yōu)缺點(diǎn)；
- 學(xué)習(xí)源碼的設(shè)計(jì)，面試要會(huì)答啊。
Collection
先來看最上層的 Collection.
Collection 里還定義了很多方法，這些方法也都會(huì)繼承到各個(gè)子接口和實(shí)現(xiàn)類里，而這些 API 的使用也是日常工作和面試常見?？嫉?，所以我們先來看下這些方法。
操作集合，無非就是「增刪改查」四大類，也叫 CRUD:
Create, Read, Update, and Delete.
那我也把這些 API 分為這四大類：
| 功能 | 方法 |
|---|---|
| 增 | add()/addAll() |
| 刪 | remove()/ removeAll() |
| 改 | Collection Interface 里沒有 |
| 查 | contains()/ containsAll() |
| 其他 | isEmpty()/size()/toArray() |
下面具體來看：
增：
boolean?add(E?e);
add() 方法傳入的數(shù)據(jù)類型必須是 Object，所以當(dāng)寫入基本數(shù)據(jù)類型的時(shí)候，會(huì)做自動(dòng)裝箱 auto-boxing 和自動(dòng)拆箱 unboxing。
還有另外一個(gè)方法 addAll()，可以把另一個(gè)集合里的元素加到此集合中。
boolean?addAll(Collection?c);
刪：
boolean?remove(Object?o);
remove()是刪除的指定元素。
那和 addAll() 對應(yīng)的，
自然就有removeAll()，就是把集合 B 中的所有元素都刪掉。
boolean?removeAll(Collection?c);
改：
Collection Interface 里并沒有直接改元素的操作，反正刪和增就可以完成改了嘛！
查：
- 查下集合中有沒有某個(gè)特定的元素：
boolean?contains(Object?o);
- 查集合 A 是否包含了集合 B：
boolean?containsAll(Collection?c);
還有一些對集合整體的操作：
- 判斷集合是否為空：
boolean?isEmpty();
- 集合的大?。?/li>
int?size();
- 把集合轉(zhuǎn)成數(shù)組：
Object[]?toArray();
以上就是 Collection 中常用的 API 了。
在接口里都定義好了，子類不要也得要。
當(dāng)然子類也會(huì)做一些自己的實(shí)現(xiàn)，這樣就有了不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
那我們一個(gè)個(gè)來看。
List
List 最大的特點(diǎn)就是：有序，可重復(fù)。
看官網(wǎng)說的：
An ordered collection (also known as a sequence).
Unlike sets, lists typically allow duplicate elements.
這一下把 Set 的特點(diǎn)也說出來了，和 List 完全相反，Set 是 無序，不重復(fù)的。
List 的實(shí)現(xiàn)方式有 LinkedList 和 ArrayList 兩種，那面試時(shí)最常問的就是這兩個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如何選擇。
對于這類選擇問題：
一是考慮數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是否能完成需要的功能；
如果都能完成，二是考慮哪種更高效。
（萬事都是如此啊。
那具體來看這兩個(gè) classes 的 API 和它們的時(shí)間復(fù)雜度：
| 功能 | 方法 | ArrayList | LinkedList |
|---|---|---|---|
| 增 | add(E e) | O(1) | O(1) |
| 增 | add(int index, E e) | O(n) | O(n) |
| 刪 | remove(int index) | O(n) | O(n) |
| 刪 | remove(E e) | O(n) | O(n) |
| 改 | set(int index, E e) | O(1) | O(n) |
| 查 | get(int index) | O(1) | O(n) |
稍微解釋幾個(gè)：
add(E e) 是在尾巴上加元素，雖然 ArrayList 可能會(huì)有擴(kuò)容的情況出現(xiàn)，但是均攤復(fù)雜度（amortized time complexity）還是 O(1) 的。
add(int index, E e)是在特定的位置上加元素，LinkedList 需要先找到這個(gè)位置，再加上這個(gè)元素，雖然單純的「加」這個(gè)動(dòng)作是 O(1) 的，但是要找到這個(gè)位置還是 O(n) 的。（這個(gè)有的人就認(rèn)為是 O(1)，和面試官解釋清楚就行了，拒絕扛精。
remove(int index)是 remove 這個(gè) index 上的元素，所以
- ArrayList 找到這個(gè)元素的過程是 O(1)，但是 remove 之后，后續(xù)元素都要往前移動(dòng)一位，所以均攤復(fù)雜度是 O(n)；
- LinkedList 也是要先找到這個(gè) index，這個(gè)過程是 O(n) 的，所以整體也是 O(n)。
remove(E e)是 remove 見到的第一個(gè)這個(gè)元素，那么
- ArrayList 要先找到這個(gè)元素，這個(gè)過程是 O(n)，然后移除后還要往前移一位，這個(gè)更是 O(n)，總的還是 O(n)；
- LinkedList 也是要先找，這個(gè)過程是 O(n)，然后移走，這個(gè)過程是 O(1)，總的是 O(n).
那造成時(shí)間復(fù)雜度的區(qū)別的原因是什么呢？
答：
因?yàn)?ArrayList 是用數(shù)組來實(shí)現(xiàn)的。
而數(shù)組和鏈表的最大區(qū)別就是數(shù)組是可以隨機(jī)訪問的（random access）。
這個(gè)特點(diǎn)造成了在數(shù)組里可以通過下標(biāo)用 O(1) 的時(shí)間拿到任何位置的數(shù)，而鏈表則做不到，只能從頭開始逐個(gè)遍歷。
也就是說在「改查」這兩個(gè)功能上，因?yàn)閿?shù)組能夠隨機(jī)訪問，所以 ArrayList 的效率高。
那「增刪」呢？
如果不考慮找到這個(gè)元素的時(shí)間，
數(shù)組因?yàn)槲锢砩系倪B續(xù)性，當(dāng)要增刪元素時(shí)，在尾部還好，但是其他地方就會(huì)導(dǎo)致后續(xù)元素都要移動(dòng)，所以效率較低；而鏈表則可以輕松的斷開和下一個(gè)元素的連接，直接插入新元素或者移除舊元素。
但是呢，實(shí)際上你不能不考慮找到元素的時(shí)間啊。。。而且如果是在尾部操作，數(shù)據(jù)量大時(shí) ArrayList 會(huì)更快的。
所以說：
- 改查選擇 ArrayList；
- 增刪在尾部的選擇 ArrayList；
- 其他情況下，如果時(shí)間復(fù)雜度一樣，推薦選擇 ArrayList，因?yàn)?overhead 更小，或者說內(nèi)存使用更有效率。
Vector
那作為 List 的最后一個(gè)知識點(diǎn)，我們來聊一下 Vector。這也是一個(gè)年齡暴露帖，用過的都是大佬。
那 Vector 和 ArrayList 一樣，也是繼承自 java.util.AbstractList，底層也是用數(shù)組來實(shí)現(xiàn)的。
但是現(xiàn)在已經(jīng)被棄用了，因?yàn)?..它加了太多的 synchronized！
任何好處都是有代價(jià)的，線程安全的成本就是效率低，在某些系統(tǒng)里很容易成為瓶頸，所以現(xiàn)在大家不再在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的層面加 synchronized，而是把這個(gè)任務(wù)轉(zhuǎn)移給我們程序員==
那么面試常問題：Vector 和 ArrayList 的區(qū)別是什么，只答出來這個(gè)還還不太全面。
來看 stack overflow 上的高票回答：
一是剛才已經(jīng)說過的線程安全問題；
二是擴(kuò)容時(shí)擴(kuò)多少的區(qū)別。
這個(gè)得看看源碼：
這是 ArrayList 的擴(kuò)容實(shí)現(xiàn)，這個(gè)算術(shù)右移操作是把這個(gè)數(shù)的二進(jìn)制往右移動(dòng)一位，最左邊補(bǔ)符號位，但是因?yàn)槿萘繘]有負(fù)數(shù)，所以還是補(bǔ) 0.
那右移一位的效果就是除以 2，那么定義的新容量就是原容量的 1.5 倍。
再來看 Vector 的：
因?yàn)橥ǔ?capacityIncrement 我們并不定義，所以默認(rèn)情況下它是擴(kuò)容兩倍。
答出來這兩點(diǎn)，就肯定沒問題了。
Queue & Deque
Queue 是一端進(jìn)另一端出的線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；而 Deque 是兩端都可以進(jìn)出的。
Queue
Java 中的 這個(gè) Queue 接口稍微有點(diǎn)坑，一般來說隊(duì)列的語義都是先進(jìn)先出（FIFO）的。
但是這里有個(gè)例外，就是 PriorityQueue，也叫 heap，并不按照進(jìn)去的時(shí)間順序出來，而是按照規(guī)定的優(yōu)先級出去，并且它的操作并不是 O(1) 的，時(shí)間復(fù)雜度的計(jì)算稍微有點(diǎn)復(fù)雜，我們之后單獨(dú)開一篇來講。
那 Queue 的方法官網(wǎng)[1]都總結(jié)好了，它有兩組 API，基本功能是一樣的，但是呢：
- 一組是會(huì)拋異常的；
- 另一組會(huì)返回一個(gè)特殊值。
| 功能 | 拋異常 | 返回值 |
|---|---|---|
| 增 | add(e) | offer(e) |
| 刪 | remove() | poll() |
| 瞧 | element() | peek() |
為什么會(huì)拋異常呢？
- 比如隊(duì)列空了，那 remove() 就會(huì)拋異常，但是 poll() 就返回 null；element() 就會(huì)拋異常，而 peek() 就返回 null 就好了。
那 add(e) 怎么會(huì)拋異常呢？
有些 Queue 它會(huì)有容量的限制，比如 BlockingQueue，那如果已經(jīng)達(dá)到了它最大的容量且不會(huì)擴(kuò)容的，就會(huì)拋異常；但如果 offer(e)，就會(huì) return false.
那怎么選擇呢？：
首先，要用就用同一組 API，前后要統(tǒng)一；
其次，根據(jù)需求。如果你需要它拋異常，那就是用拋異常的；不過做算法題時(shí)基本不用，所以選那組返回特殊值的就好了。
Deque
Deque 是兩端都可以進(jìn)出的，那自然是有針對 First 端的操作和對 Last 端的操作，那每端都有兩組，一組拋異常，一組返回特殊值：
| 功能 | 拋異常 | 返回值 |
|---|---|---|
| 增 | addFirst(e)/ addLast(e) | offerFirst(e)/ offerLast(e) |
| 刪 | removeFirst()/ removeLast() | pollFirst()/ pollLast() |
| 瞧 | getFirst()/ getLast() | peekFirst()/ peekLast() |
使用時(shí)同理，要用就用同一組。
Queue 和 Deque 的這些 API 都是 O(1) 的時(shí)間復(fù)雜度，準(zhǔn)確來說是均攤時(shí)間復(fù)雜度。
實(shí)現(xiàn)類
它們的實(shí)現(xiàn)類有這三個(gè)：
所以說，
- 如果想實(shí)現(xiàn)「普通隊(duì)列 - 先進(jìn)先出」的語義，就使用 LinkedList 或者 ArrayDeque 來實(shí)現(xiàn)；
- 如果想實(shí)現(xiàn)「優(yōu)先隊(duì)列」的語義，就使用 PriorityQueue；
- 如果想實(shí)現(xiàn)「?！沟恼Z義，就使用 ArrayDeque。
我們一個(gè)個(gè)來看。
在實(shí)現(xiàn)普通隊(duì)列時(shí)，如何選擇用 LinkedList 還是 ArrayDeque 呢？
來看一下 StackOverflow[2] 上的高票回答：
總結(jié)來說就是推薦使用 ArrayDeque，因?yàn)樾矢?，?LinkedList 還會(huì)有其他的額外開銷（overhead）。
那 ArrayDeque 和 LinkedList 的區(qū)別有哪些呢？
還是在剛才的同一個(gè)問題下，這是我認(rèn)為總結(jié)的最好的：
- ArrayDeque 是一個(gè)可擴(kuò)容的數(shù)組，LinkedList 是鏈表結(jié)構(gòu)；
- ArrayDeque 里不可以存 null 值，但是 LinkedList 可以；
- ArrayDeque 在操作頭尾端的增刪操作時(shí)更高效，但是 LinkedList 只有在當(dāng)要移除中間某個(gè)元素且已經(jīng)找到了這個(gè)元素后的移除才是 O(1) 的；
- ArrayDeque 在內(nèi)存使用方面更高效。
所以，只要不是必須要存 null 值，就選擇 ArrayDeque 吧！
那如果是一個(gè)很資深的面試官問你，什么情況下你要選擇用 LinkedList 呢？
- 答：Java 6 以前。。。因?yàn)?ArrayDeque 在 Java 6 之后才有的。。
為了版本兼容的問題，實(shí)際工作中我們不得不做一些妥協(xié)。。
那最后一個(gè)問題，就是關(guān)于 Stack 了。
Stack
Stack 在語義上是 后進(jìn)先出（LIFO） 的線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
有很多高頻面試題都是要用到棧的，比如接水問題，雖然最優(yōu)解是用雙指針，但是用棧是最直觀的解法也是需要了解的，之后有機(jī)會(huì)再專門寫吧。
那在 Java 中是怎么實(shí)現(xiàn)棧的呢？
雖然 Java 中有 Stack 這個(gè)類，但是呢，官方文檔都說不讓用了！
原因也很簡單，因?yàn)?Vector 已經(jīng)過被棄用了，而 Stack 是繼承 Vector 的。
那么想實(shí)現(xiàn) Stack 的語義，就用 ArrayDeque 吧：
Deque?stack?=?new?ArrayDeque<>();
Set
最后一個(gè) Set，剛才已經(jīng)說過了 Set 的特定是無序，不重復(fù)的。
就和數(shù)學(xué)里學(xué)的「集合」的概念一致。
Set 的常用實(shí)現(xiàn)類有三個(gè)：
HashSet: 采用 Hashmap 的 key 來儲(chǔ)存元素，主要特點(diǎn)是無序的，基本操作都是 O(1) 的時(shí)間復(fù)雜度，很快。
LinkedHashSet: 這個(gè)是一個(gè) HashSet + LinkedList 的結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)就是既擁有了 O(1) 的時(shí)間復(fù)雜度，又能夠保留插入的順序。
TreeSet: 采用紅黑樹結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)是可以有序，可以用自然排序或者自定義比較器來排序；缺點(diǎn)就是查詢速度沒有 HashSet 快。
那每個(gè) Set 的底層實(shí)現(xiàn)其實(shí)就是對應(yīng)的 Map：
數(shù)值放在 map 中的 key 上，value 上放了個(gè) PRESENT，是一個(gè)靜態(tài)的 Object，相當(dāng)于 place holder，每個(gè) key 都指向這個(gè) object。
總結(jié)
再回到開篇的這張圖，有沒有清楚了一些呢？
各類知識點(diǎn)總結(jié)
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