最近在做异或网络编码，认为选择什么数据包进行编码可以归结为集合论问题。所以以此为契机，较为全面了解下Java集合类，便于自己编程。本文大量摘抄博文《Java集合类详解》，按自己需要查阅的方法整理，后续再按自己的理解重写。

1. Java集合框架

1.1 概述

Java集合框架(Java collections framework, JCF)是一组实现集合数据结构的类和接口。Collection接口是一组允许重复的对象，有3个接口继承了该接口。值得注意的是，Map接口不由Collection派生。如下^[1]：

• Set，不允许重复，使用自己内部的一个排列机制
• List，允许重复，以元素安插的次序来放置元素，不会重新排列
• Queue，先进先出
• Map，一组成对的键－值对象(key-value pairs)。不能有重复的key，但value可以相同

Java集合框架示意图如下(实际远比下图复杂，不过下图层次感很好)，图片来源于这里，我在此基础上加了几个框框。

Collection接口相关的UML详细类图如下：

1.2 Collection

所有实现Collection接口的类都必须提供两个标准的构造函数：其一，无参数的构造函数用于创建一个空的Collection；其二，有一个 Collection参数的构造函数用于创建一个新的Collection，这个新的Collection与传入的Collection有相同的元素。后一种构造函数允许用户复制一个Collection。

如何遍历Collection中的每一个元素？不论Collection的实际类型如何，它都支持一个iterator()的方法，该方法返回一个迭代子，使用该迭代子即可逐一访问Collection中每一个元素。典型的用法如下：

Iterator it = collection.iterator();   // 获得一个迭代子
while(it.hasNext()) {
    　　　　　　Object obj = it.next(); // 得到下一个元素　　
}

2. List

List是有序，元素可重复的Collection，实现List接口的常用类有LinkedList，ArrayList，Vector和Stack。List接口相关的部分UML类图如下：

操作过程中，LinkedList，ArrayList，Vector鲜明特点如下：

ArrayList：数组实现，查询快，增删慢，线程不安全，轻量级；
LinkedList：链表实现，增删快，查询慢
Vector：数组实现，线程安全，重量级

注：博文《Java集合类详解》后面回复“线程同步，不等于线程安全”，要批判的理解。

List是有序的Collection，使用此接口能够精确的控制每个元素插入的位置。用户能够使用索引（元素在List中的位置，类似于数组下标）来访问List中的元素，这类似于Java的数组。

除了具有Collection接口必备的iterator()方法外，List还提供一个listIterator()方法，返回一个 ListIterator接口，和标准的Iterator接口相比，ListIterator多了一些add()之类的方法，允许添加，删除，设定元素， 还能向前或向后遍历。

2.1 ArrayList

ArrayList实现了可变大小的数组。它允许所有元素，包括null。ArrayList没有同步。size，isEmpty，get，set方法运行时间为常数。但是add方法开销为分摊的常数，添加n个元素需要O(n)的时间。其他的方法运行时间为线性。

每个ArrayList实例都有一个容量（Capacity），即用于存储元素的数组的大小。这个容量可随着不断添加新元素而自动增加，但是增长算法 并没有定义。当需要插入大量元素时，在插入前可以调用ensureCapacity方法来增加ArrayList的容量以提高插入效率。和LinkedList一样，ArrayList也是非同步的（unsynchronized）。

2.2 Vector

Vector非常类似ArrayList，但是Vector是同步的。由Vector创建的Iterator，虽然和 ArrayList创建的Iterator是同一接口，但是，因为Vector是同步的，当一个Iterator被创建而且正在被使用，另一个线程改变了 Vector的状态（例如，添加或删除了一些元素），这时调用Iterator的方法时将抛出 ConcurrentModificationException，因此必须捕获该异常。

2.2.1 Stack

Stack继承自Vector，实现一个后进先出的堆栈。Stack提供5个额外的方法使得Vector得以被当作堆栈使用。基本的push和pop 方法，还有peek方法得到栈顶的元素，empty方法测试堆栈是否为空，search方法检测一个元素在堆栈中的位置。Stack刚创建后是空栈。

2.3 LinkedList

LinkedList实现了List接口，允许null元素。此外LinkedList提供额外的get，remove，insert方法在 LinkedList的首部或尾部。这些操作使LinkedList可被用作堆栈（stack），队列（queue）或双向队列（deque）。（注：待斟酌）

注意LinkedList没有同步方法。如果多个线程同时访问一个List，则必须自己实现访问同步。一种解决方法是在创建List时构造一个同步的List：

List list = Collections.synchronizedList(new LinkedList(…));

2.4 详细ULM类图

3. Queue

Queue接口定义了队列数据结构，元素是有序的(按插入顺序)，先进先出。Queue接口相关的部分UML类图如下：

3.1 ArrayDeque与LinkedList

DeQueue(Double-ended queue)继承了Queue接口，创建双向队列，灵活性更强，可以前向或后向迭代，在队头队尾均可心插入或删除元素。

LinkedList实现了Dequeue和List接口，用链表实现。ArrayDeque用数组实现。

3.2 PriorityQueue

PriorityQueue不同于Queue在于其排序是按优先级而不是先进先出。优先级取决于compareTo方法或者构造函数(a method given in the constructor)。

3.3 详细UML类图

4. Set

Set接口无序(意味着不能通过下标读取)并且不允许重复元素。与Set接口相关的部分UML类图如下：

Set是一种不包含重复的元素的Collection，即任意的两个元素e1和e2都有e1.equals(e2)=false，Set最多有一个null元素。很明显，Set的构造函数有一个约束条件，传入的Collection参数不能包含重复的元素。

请注意：必须小心操作可变对象（Mutable Object）。如果一个Set中的可变元素改变了自身状态导致Object.equals(Object)=true将导致一些问题。

4.1 HashSet与LinkedHashSet

使用HashMap存储hashes和elements以避免存在重复元素。LinkedHashSet继承HashSet，使用双向链表按插入的顺序将元素链起来。

4.2 TreeSet

SortedSet是有序的，排序取决于compareTo方法或SortedSet构造函数(？a method provided to the constructor of the sorted set)。可以取得SortedSet首末元素(first, last)以及子集(subSet)。

NavigableSet是继承了SortedSet，增加了一些方法，如floor(), ceiling(), lower(), and higher()，除此之外，还提供降序的迭代器(descending iterator)。

TreeSet实现了NavigableSet接口，使用红黑树(red-black tree，由TreeMap实现)确保没有重复元素。

4.3 详细UML类图

5. Map

Map不由Collection接口派生，与Map接口相关的部分UML类图如下：

请注意，Map没有继承Collection接口，Map提供key到value的映射。一个Map中不能包含相同的key，每个key只能映射一个 value。Map接口提供3种集合的视图，Map的内容可以被当作一组key集合，一组value集合，或者一组key-value映射。

5.1 HashMap

HashMap和Hashtable类似，不同之处在于HashMap是非同步的，并且允许null，即null value和null key。，但是将HashMap视为Collection时（values()方法可返回Collection），其迭代子操作时间开销和HashMap 的容量成比例。因此，如果迭代操作的性能相当重要的话，不要将HashMap的初始化容量设得过高，或者load factor过低。

LinkedHashMap： 此实现与 HashMap 的不同之处在于，后者维护着一个运行于所有条目的双重链接列表。存储的数据是有序的。

5.2 TreeMap

TreeMap：对key排好序的Map; key 就是TreeSet, value对应每个key; key要实现Comparable接口或TreeMap有自己的构造器；

5.3 Hashtable

Hashtable继承Map接口，实现一个key-value映射的哈希表。任何非空（non-null）的对象都可作为key或者value。

添加数据使用put(key, value)，取出数据使用get(key)，这两个基本操作的时间开销为常数。Hashtable通过initial capacity和load factor两个参数调整性能。通常缺省的load factor 0.75较好地实现了时间和空间的均衡。增大load factor可以节省空间但相应的查找时间将增大，这会影响像get和put这样的操作。使用Hashtable的简单示例如下，将1，2，3放到Hashtable中，他们的key分别是”one”，”two”，”three”：

Hashtable numbers = new Hashtable();
numbers.put(“one”, new Integer(1));
numbers.put(“two”, new Integer(2));
numbers.put(“three”, new Integer(3));

要取出一个数，比如2，用相应的key：

Integer n = (Integer)numbers.get(“two”);
System.out.println(“two = ” + n);

由于作为key的对象将通过计算其散列函数来确定与之对应的value的位置，因此任何作为key的对象都必须实现hashCode和equals方 法。hashCode和equals方法继承自根类Object，如果你用自定义的类当作key的话，要相当小心，按照散列函数的定义，如果两个对象相 同，即obj1.equals(obj2)=true，则它们的hashCode必须相同，但如果两个对象不同，则它们的hashCode不一定不同，如 果两个不同对象的hashCode相同，这种现象称为冲突，冲突会导致操作哈希表的时间开销增大，所以尽量定义好的hashCode()方法，能加快哈希 表的操作。

如果相同的对象有不同的hashCode，对哈希表的操作会出现意想不到的结果（期待的get方法返回null），要避免这种问题，只需要牢记一条：要同时复写equals方法和hashCode方法，而不要只写其中一个。Hashtable是同步的。

5.3.1 Properties

key和value都是String类型，用来读配置文件。

5.4 详细UML类图

6. 如何选择Collection

StackOverflow有个回答并给了流程图，很有借鉴意义，摘抄如下（原文在这里）：

This flow chart does not try and cover things like synchronized access, thread safety etc or the legacy collections, but it does cover the 3 standard Sets, 3 standard Maps and 2 standard Lists.

参考资料：
[1]维基百科词条：Java集合框架
[2]博文《Java集合类详解》
[3]博文《Java 集合类图》
[4]维基百科词条：Java collections framework

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