第2节集合（下）

一、Set接口

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接口中元素无序，并且都会以某种规则保证存入的元素不出现重复 。

Set接口有很多子类：

在这里插入图片描述

比较常用的有HashSet、LinkedHashSet、TreeSet三个，后面分别介绍。

二、HashSet类

2.1 概述与使用

java.util.HashSet是 Set接口的一个实现类，它所存储的元素是不可重复的，并且元素都是无序的(即存取顺序不一致)。 java.util.HashSet底层的实现其实是一个java.util.HashMap 支持，即将数据存在HashMap的键的位置，值的位置全部存放空对象。

HashSet是根据对象的哈希值来确定元素在集合中的存储位置，因此具有良好的存取和查找性能。保证元素唯一性的方式依赖于： hashCode与 equals方法。hashCode就是一个生成哈希值（int型）的函数。

先来看一个使用HashSet存储的例子：

public class HashSetDemo {public static void main(String[] args) {//创建 Set集合HashSet<String> set = new HashSet<String>();//添加元素set.add(new String("123"));set.add("123");set.add("123");set.add("321");//遍历for (String name : set) {System.out.println(name);}}
} 结果如下：
123
321
说明Set集合中不能存储重复元素

2.2 构造方法与方法

在这里插入图片描述

   其中涉及到散列因子，后续介绍，**这里注意最后一种构造方法，可以将其他类型的Collection实现转为HashSet类，其他的一些类也有类似的操作** 。

在这里插入图片描述

方法也不多，增加删除遍历获取元素数比较常用。

2.3 哈希表

因为HashSet是由HashMap实现的，而HashMap又是由哈希表这种数据结构实现的，所以有必要介绍一下java中哈希表是什么。

在JDK1.8之前，哈希表底层采用数组+链表 实现，即使用链表处理冲突，同一hash值的链表都存储在一个链表里。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 。

在这里插入图片描述

当红黑树中数据个数减少到6时，从红黑树变回为链表 。这里要注意，如果本身就是链表，那么降到6也不会发生这种转变。

它存入数据时的完整过程如下图所示：

在这里插入图片描述

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。

2.4 LinkedHashSet类

此实现使客户免于HashSet提供的未指定的，通常是混乱的排序，而不会产生与TreeSet相关的增加的成本。无论原始集合的实现如何，它都可用于生成与原始集合具有相同顺序的集合的副本 。

三、TreeSet类与Comparable接口

3.1 TreeSet类概述

它与HashSet相比，最大的区别在于TreeSet是有序存储的。先来看一下它的构造方法和方法：

在这里插入图片描述

看一个例子：

package com.kaikeba.coreclasslibrary.set;import java.util.TreeSet;public class treeset {//TreeSet：public static void main(String[] args) {TreeSet<String> data = new TreeSet<>();data.add("B");data.add("C");data.add("A");data.add("D");for(String s:data) {System.out.println(s);}}
}结果如下：
A
B
C
D

它有一个问题，当存入的数据是自定义的对象时， TreeSet通过什么来比较大小，或者再一般一些，传入上述字符串对象时，TreeSet是通过说明比较顺序的？

它本身是不知道的，所以必须实现Comparable接口。

3.2 Comparable接口

此接口对实现它的每个类的对象强加一个总排序。这种排序被称为类的自然顺序 ，类的compareTo方法被称为其自然比较方法 。

它只有一个抽象方法：compareTo，它将传入的对象与此对象进行比较以获得顺序。返回负整数，零，正整数，表示此对象小于，等于或大于指定对象。

看一个例子：

package com.kaikeba.coreclasslibrary.set;import java.util.Objects;
import java.util.TreeSet;public class treeset2 {//TreeSet：public static void main(String[] args) {TreeSet<Person> data = new TreeSet<>();Person p1 = new Person("张三", 20);Person p2 = new Person("李四", 19);Person p3 = new Person("麻子", 19);data.add(p1);data.add(p2);data.add(p3);       //不能存一样大的值for(Person p:data) {System.out.println(p);}}static class Person implements Comparable<Person>{private String name;private int age;@Overridepublic int compareTo(Person o) {//this 与 o 比较//返回的数据是：负数this小、零一样大、整数this大if(this.age > o.age) {return 1;}else if(this.age == o.age) {return 0;}return -1;}public Person() {}public Person(String name, int age) {this.name = name;this.age = age;}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;}@Overridepublic boolean equals(Object o) {if (this == o) return true;if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false;Person person = (Person) o;return age == person.age && Objects.equals(name, person.name);}@Overridepublic int hashCode() {return Objects.hash(name, age);}@Overridepublic String toString() {return "Person{" +"name='" + name + '\'' +", age=" + age +'}';}}
}

结果如下：

Person{name='李四', age=19}
Person{name='张三', age=20}

Person类实现了Comparable接口，实现了compareTo方法，这里对年龄进行了排序，而且也可以发现，当两者一样大时，不会存入数据。

那是不是String也做了同样的事才可以使得它能排序呢？看一下String源码：

在这里插入图片描述

它也是做了相同的事，才可以比较大小进行排序的。

四、Collections类和Comparator接口

4.1 Collections类

是一个集合工具类，用来对集合进行操作，部分方法如下：

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

举个例子：

public class CollectionsDemo {public static void main(String[] args) {ArrayList<Integer> list = new ArrayList<Integer>();//原来写法//list.add(12);//list.add(14);//list.add(15);//list.add(1000);//采用工具类 完成 往集合中添加元素Collections.addAll(list, 5, 222, 1，2);System.out.println(list);//排序方法Collections.sort(list);System.out.println(list);}
} 
结果：
[5, 222, 1, 2]
[1, 2, 5, 222]

这里的排序是采用的默认顺序，如果想要自定义顺序怎么操作？

4.2 Comparator接口

排序的规则是怎么定义出来的呢？说到排序，简单说就是两个对象之间比较大小，那么在Java中提供了两种比较实现的方式：

一种是比较死板的采用java.lang.Comparable接口去实现；
一种是灵活的当我需要做排序的时候再去选择java.util.Comparator接口完成。

Comparable接口中的实现，把比较规则写死了，比如想要字符串按照字符降序排序，那么就要修改String的源代码，这是不可能的，所以这个时候可以使用Comparator接口灵活的完成。

Comparator接口中主要需要重写的方法是compare方法：

public int compare(String o1, String o2):    //比较其两个参数的顺序。

两个对象比较的结果有三种：大于，等于，小于。

如果要按照升序排序，

则o1 小于o2，返回（负数），相等返回0，01大于02返回（正数）

如果要按照降序排序

则o1 小于o2，返回（正数），相等返回0，01大于02返回（负数）

操作如下：

public class CollectionsDemo3 {public static void main(String[] args) {ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();list.add("cba");list.add("aba");list.add("sba");list.add("nba");//排序方法 按照第一个单词的降序Collections.sort(list, new Comparator<String>() {@Overridepublic int compare(String o1, String o2) {return o2.charAt(0) - o1.charAt(0);}});System.out.println(list);}
}结果如下：
[sba, nba, cba, aba]

4.3 Comparable和Comparator接口的区别

Comparable：强行对实现它的每个类的对象进行整体排序。这种排序被称为类的自然排序，类的compareTo方法被称为它的自然比较方法。只能在类中实现compareTo()一次，不能经常修改类的代码实现自己想要的排序。实现此接口的对象列表（和数组）可以通过Collections.sort（和Arrays.sort）进行自动排序，对象可以用作有序映射中的键或有序集合中的元素，无需指定比较器。

Comparator：强行对某个对象进行整体排序。可以将Comparator传递给sort方法（如Collections.sort或 Arrays.sort），从而允许在排序顺序上实现精确控制。还可以使用Comparator来控制某些数据结构（如有序set或有序map）的顺序，或者为那些没有自然顺序的对象collection提供排序。

练习：

创建一个学生类，存储到ArrayList集合中完成指定排序操作。

Student 初始类：

public class Student{private String name;private int age;public Student() {} public Student(String name, int age) {this.name = name;this.age = age;} 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;} @Overridepublic String toString() {return "Student{" +"name='" + name + '\'' +", age=" + age +'}';}
}

测试类：

public class Demo {public static void main(String[] args) {// 创建四个学生对象 存储到集合中ArrayList<Student> list = new ArrayList<Student>();list.add(new Student("rose",18));list.add(new Student("jack",16));list.add(new Student("abc",16));list.add(new Student("ace",17));list.add(new Student("mark",16));/*让学生 按照年龄排序 升序*/// Collections.sort(list);//要求 该list中元素类型 必须实现比较器Comparable接口for (Student student : list) {System.out.println(student);}}
}

发现，当我们调用Collections.sort()方法的时候程序报错了。

原因：如果想要集合中的元素完成排序，那么必须要实现比较器Comparable接口。

于是我们就完成了Student类的一个实现，如下：

public class Student implements Comparable<Student>{....@Overridepublic int compareTo(Student o) {return this.age-o.age;//升序}
}

再次测试，代码就OK 了效果如下：

Student{name='jack', age=16}
Student{name='abc', age=16}
Student{name='mark', age=16}
Student{name='ace', age=17}
Student{name='rose', age=18}

补充：

如果想要规则更多一些，可以参考下面代码：

Collections.sort(list, new Comparator<Student>() {@Overridepublic int compare(Student o1, Student o2) {// 年龄降序int result = o2.getAge()-o1.getAge()//第一个规则判断完了 下一个规则 姓名的首字母 升序if(result==0){result = o1.getName().charAt(0)-o2.getName().charAt(0);} return result;}
});

效果如下：

Student{name='rose', age=18}
Student{name='ace', age=17}
Student{name='abc', age=16}
Student{name='jack', age=16}
Student{name='mark', age=16}

五、Map接口

5.1 概述

以上的Collection中，每次操作的都是一个单独对象，而Map接口，可以实现键值对的存储 ，如下所示：

张三 123456
李四 234567

Map中不能包含重复的键，即键必须唯一，而且每个键最多可以映射一个值。

Map接口与Collection接口没有任何的关系，是第二大集合操作接口。

注意：如果将可变对象用作键，则必须非常小心，因为一旦中途更改对象的属性，根据hashCode和equals方法的定义，将无法找到原来存在以该对象为键的值，即发生了哈希值错乱，后面再结合源码和例子详细解释。

5.2 方法介绍

介绍一下常用法方法：

1、删除所有映射

在这里插入图片描述

2、是否包含指定的键、值

在这里插入图片描述

3、返回Map.Entry或Set视图

在这里插入图片描述

4、equals

在这里插入图片描述

5、根据键获取值

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6、返回哈希码值

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7、判断是否不包含映射关系

在这里插入图片描述

8、将键作为Set集合返回，遍历常用

在这里插入图片描述

9、返回包含若干个映射的不可修改Map，静态方法

在这里插入图片描述

10、存入指定的键值对

在这里插入图片描述

11、删除某映射对

在这里插入图片描述

12、替换某映射对

在这里插入图片描述

13、返回此Map中的键值对数量

在这里插入图片描述

14、返回此Map中所有值的Collection集合

在这里插入图片描述

Map本身是一个接口，所以一般会使用以下的几个子类：HashMap、TreeMap、Hashtable。

六、HashMap、Hashtable、ConcurrentHashMap类

6.1 HashMap类

6.1.1 概述

基于哈希表的Map接口的实现。此实现提供了所有可选的映射操作，并允许null值和null键。（ HashMap类大致相当于Hashtable ，除了它是不同步的并且允许空值。）此类不保证顺序。

此类定义如下：

public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable

它继承了AbstractMap类，同时可以被克隆，可以被序列化。

看一个例子：

package com.kaikeba.coreclasslibrary.set;import java.util.Collection;
import java.util.HashMap;
import java.util.Set;public class map {//Map//HashMap/Hashtable/ConcurrentHashMap//TreeMap//LinkedHashMappublic static void main(String[] args) {HashMap<String, String> data = new HashMap<>();data.put("key1", "锄禾日当午");data.put("key2", "汗滴禾下土");data.put("key2", "勇敢牛牛");   //新的内容将替换旧的内容//根据键来遍历键值对Set<String> set = data.keySet();for(String key:set) {System.out.println(key+"->"+data.get(key));}//遍历值Collection<String> values = data.values();for(String value:values) {System.out.println(value);}}
}结果如下所示：
key1->锄禾日当午
key2->勇敢牛牛
锄禾日当午
勇敢牛牛

6.1.2 可变对象作为键

前面也提到了，可变对象作为键会出现哈希值错乱的问题，先来看一个例子：

package com.kaikeba.coreclasslibrary.set;import java.util.HashMap;
import java.util.Objects;public class Demo {public static void main(String[] args) {//为防止键改变导致哈希值错乱的问题，尽量不要使用对象来作为键，如果要做，不要修改对象的属性HashMap<Book, String> data = new HashMap<>();Book book1 = new Book("三体", "科幻小说");data.put(book1, "第一本书");Book book2 = new Book("平凡的世界", "纪实小说");data.put(book2, "第二本书");book1.setName("四体");//哈希值通过对象属性计算，哈希值计算的与原来不一样，是找不到值的System.out.println(data.get(book1));//哈希值虽然计算一样，但是equals不相等，传入的“三体”与键对象的“四体不相等，也找不到”Book book3 = new Book("三体", "科幻小说");System.out.println(data.get(book3));}static class Book {private String name;private String info;public Book() {}public Book(String name, String info) {this.name = name;this.info = info;}@Overridepublic boolean equals(Object o) {if (this == o) return true;if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false;Book book = (Book) o;return Objects.equals(name, book.name) && Objects.equals(info, book.info);}@Overridepublic int hashCode() {return Objects.hash(name, info);}@Overridepublic String toString() {return "Book{" +"name='" + name + '\'' +", info='" + info + '\'' +'}';}public String getName() {return name;}public void setName(String name) {this.name = name;}public String getInfo() {return info;}public void setInfo(String info) {this.info = info;}}
}结果如下：
null
null

因为中途将作为键的可变对象的属性改变，导致后续找不到该键对应的值了，上述涉及到了两种情况：

直接通过改变后的对象去get，发现找不到；
新new一个与原来对象的属性完全一样的新对象去get，也找不到。

为了解释上述的现象，需要看get方法的源码：

public V get(Object key) {Node<K,V> e;return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}

调用getNode方法，根据哈希值和key来获取值，首先来看一下哈希值是如何来的：

static final int hash(Object key) {int h;return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

其实就是根据键来获取哈希值，若键为null，哈希值为0，若不为空，调用hashCode方法生成，而hashCode在创建类的时候已经生成：

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

就是根据键的属性计算的一个int值，到这里就解释了第一个问题，因为存入的时候是new Book("三体", "科幻小说");，而修改了属性后键变为new Book("四体", "科幻小说");两者属性不一样，根据哈希值计算方法来看，计算得到的哈希值是不一样的，而getNode中哈希值就是寻找位置的关键，哈希值不一样肯定找不到。

最后再看一下getNode方法内部：

在这里插入图片描述

注意这里：

在这里插入图片描述

还有这里：

在这里插入图片描述

以及若在红黑树中getTreeNode方法里也有一样的判断条件，要想返回值，必须先满足这个，这里的意思就是除了哈希值要一样，键也要保持一样，但是修改之后的键是"四体", "科幻小说"，而book3是"三体", "科幻小说"，它们哈希值虽然一样了，但是key不一样了，这就是问题2的原因。

综上，为防止键改变导致哈希值错乱的问题，尽量不要使用可变对象来作为键，如果对象必须可变，那就不要拿它作为键使用 。

6.2 Hashtable类

Hashtable是一个最早的键值对操作类，本身是在JDK1.0的时候推出的，其基本操作与HashMap是类似的。

import java.util.Hashtable;
import java.util.Map;
public class HashtableDemo01 {public static void main(String[] args) {Map<String, Integer> numbers = new Hashtable<String, Integer>();numbers.put("one", 1);numbers.put("two", 2);numbers.put("three", 3);Integer n = numbers.get("two");if (n != null) {System.out.println("two = " + n);}}
}

操作的时候，可以发现与 HashMap基本上没有什么区别，而且本身都是以 Map为操作标准的，所以操作的结果形式都一样。但是 Hashtable中是不能向集合中插入 null值的。

6.3 HashMap与Hashtable的区别

在整个集合中除了ArrayList和Vector的区别之外，另外一个最重要的区别就是HashMap与Hashtable的区别：

在这里插入图片描述

6.4 ConcurrentHashMap类

HashMap是异步处理，线程不安全，但是性能较高；Hashtable是同步处理，线程安全，但是性能较低；而ConcurrentHashMap是对这两类的一个优化，采用了分段锁机制，在保证线程安全的同时，效率也比较高。

分段锁机制 就是每个哈希桶内部需要同步保证线程安全，但是桶与桶之间是异步的，提高性能。

6.5 哈希表的散列操作

注意一下这三类的构造方法，以HashMap为例：

在这里插入图片描述

涉及到两个参数：初始容量 和加载因子 。无参的默认初始容量为16，所有的默认加载因子为0.75。

初始容量 ：哈希表中哈希桶的数量；
加载因子 ：哈希表中有多少百分比的哈希桶中有数据，就需要进行扩容，一般是扩容为2倍，0.75就是75%。0.75是在时间和空间成本之间进行的良好的折中。较高的值会减少空间开销，但是会增加查找的成本。

为了尽量减少重新哈希（扩容）的操作，事先选择好初始容量和加载因子是很关键的（加载因子一般就选0.75）。

七、TreeMap类

TreeMap子类是允许 key 进行排序的操作子类，其本身在操作的时候将按照 key 进行排序，另外， key 中的内容可以为任意的对象，但是要求对象所在的类必须实现 Comparable接口。这一点和TreeSet是类似的，毕竟，TreeSet就是TreeMap实现的。

import java.util.Iterator;
import java.util.Map;
import java.util.Set;
import java.util.TreeMap;
public class TreeMapDemo01 {public static void main(String[] args) {Map<String, String> map = new TreeMap<String, String>();map.put("ZS", "张三");map.put("LS", "李四");map.put("WW", "王五");map.put("ZL", "赵六");map.put("SQ", "孙七");Set<String> set = map.keySet(); // 得到全部的keyIterator<String> iter = set.iterator();while (iter.hasNext()) {String i = iter.next(); // 得到keySystem.out.println(i + " --:> " + map.get(i));}}
}结果如下：
LS --:> 李四
SQ --:> 孙七
WW --:> 王五
ZL --:> 赵六
ZS --:> 张三

此时的结果已经排序成功了，但是从一般的开发角度来看，在使用 Map 接口的时候并不关心其是否排序，所以此类只需要知道其特点即可。

八、关于Map集合的输出

8.1 使用Map.Entry接口

在Collection接口中，可以使用 iterator()方法为Iterator接口实例化，并进行输出操作，但是在 Map接口中并没有此方法的定义，所以 Map接口本身是不能直接使用 Iterator进行输出的。

因为 Map接口中存放的每一个内容都是一对值，而使用 Iterator 接口输出的时候，每次取出的都实际上是一个完整的对象。如果此时非要使用Iterator进行输出的话，则可以按照如下的步骤进行：

使用Map接口中的entrySet()方法将 Map接口的全部内容变为 Set 集合；
可以使用Set 接口中定义的iterator()方法为 Iterator接口进行实例化；
之后使用 Iterator接口进行迭代输出，每一次的迭代都可以取得一个Map.Entry的实例；
通过Map.Entry进行 key和 value的分离。

那么，到底什么是 Map.Entry 呢？

Map.Entry 本身是一个接口。此接口是定义在 Map接口内部的，是 Map的内部接口。此内部接口使用 static进行定义，所以此接口将成为外部接口。

实际上来讲，对于每一个存放到 Map集合中的 key和 value都是将其变为了Map.Entry 并且将Map.Entry 保存在了Map集合之中。

在这里插入图片描述

在Map.Entry接口有如下的方法：

在这里插入图片描述

在Map.Entry接口中以下的方法最为常用：

在这里插入图片描述

看一个例子：

import java.util.HashMap;
import java.util.Iterator;
import java.util.Map;
import java.util.Set;
public class MapOutDemo01 {public static void main(String[] args) {Map<String, String> map = new HashMap<String, String>();map.put("ZS", "张三");map.put("LS", "李四");map.put("WW", "王五");map.put("ZL", "赵六");map.put("SQ", "孙七");// 变为Set实例Set<Map.Entry<String, String>> set = map.entrySet();Iterator<Map.Entry<String, String>> iter = set.iterator();while (iter.hasNext()) {Map.Entry<String, String> me = iter.next();System.out.println(me.getKey() + " --> " + me.getValue());}}
}结果如下：
WW --> 王五
ZL --> 赵六
LS --> 李四
ZS --> 张三
SQ --> 孙七

以上的代码一定要记住，Map集合中每一个元素都是 Map.Entry 的实例，只有通过Map.Entry才能进行 key和 value的分离操作。

8.2 foreach遍历

在 JDK 1.5 之后也可以使用 foreach 完成同样的输出，只是这样的操作基本上不使用。

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
public class MapOutDemo02 {public static void main(String[] args) {Map<String, String> map = new HashMap<String, String>();map.put("ZS", "张三");map.put("LS", "李四");map.put("WW", "王五");map.put("ZL", "赵六");map.put("SQ", "孙七");for (Map.Entry<String, String> me : map.entrySet()) {System.out.println(me.getKey() + " --> " + me.getValue());}}
}结果如下：
WW --> 王五
ZL --> 赵六
LS --> 李四
ZS --> 张三
SQ --> 孙七