java基础案例第六章知识总结

第六章集合

集合（Collection）是Java中的一种重要数据结构，用于存储一组对象。在Java中，集合主要分为两大类：实现Collection接口的集合和实现Map接口的集合。接下来，我们将详细讨论这两大类集合的概念、接口、实现类及相关操作。

6.1 集合概述

集合存储结构两大类

Collection接口体系：包括List、Set等接口及其实现类，用于存储一组不唯一（List允许重复，Set不允许重复）的对象。
Map接口体系：用于存储键值对（Key-Value），其中键（Key）是唯一的，值（Value）可以重复。

思维图表示关系

	`集合框架`
	`├── Collection接口`
	`│ ├── List接口`
	`│ │ ├── ArrayList`
	`│ │ ├── LinkedList`
	`│ │ └── ...`
	`│ └── Set接口`
	`│ ├── HashSet`
	`│ ├── TreeSet`
	`│ └── ...`
	`└── Map接口`
	`├── HashMap`
	`├── TreeMap`
	`├── Properties`
	`└── ...`

6.2 Collection 接口

概念

Collection接口是Java集合框架中的根接口，提供了对集合对象进行基本操作的通用方法。

使用场景及条件

当你需要存储一组对象，而不关心对象存储的顺序和是否唯一时，可以使用Collection接口及其实现类。

注意事项

Collection接口不支持存储重复元素（除List外），且不允许包含null元素（具体实现类可能有所不同）。

常用方法

方法声明	功能描述
`boolean add(E e)`	向集合中添加一个元素，若成功返回`true`
`boolean remove(Object o)`	从集合中移除一个元素，若成功返回`true`
`boolean contains(Object o)`	判断集合中是否包含某个元素
`int size()`	返回集合中元素的个数
`boolean isEmpty()`	判断集合是否为空
`void clear()`	清空集合中的所有元素
`Iterator<E> iterator()`	返回一个迭代器用于遍历集合
`Object[] toArray()`	将集合转换为数组
`<T> T[] toArray(T[] a)`	将集合转换为指定类型的数组
`boolean containsAll(Collection<?> c)`	判断集合是否包含另一个集合的所有元素
`boolean addAll(Collection<? extends E> c)`	向集合中添加另一个集合的所有元素
`boolean removeAll(Collection<?> c)`	从集合中移除另一个集合的所有元素
`boolean retainAll(Collection<?> c)`	保留集合中与另一个集合相同的元素

6.3 List接口

6.3.1 List接口简介

List接口是Collection接口的子接口，用于存储有序的集合，允许元素重复。

常用方法

方法声明	功能描述
`E get(int index)`	获取指定位置的元素
`E set(int index, E element)`	将指定位置的元素替换为新的元素，并返回旧元素
`void add(int index, E element)`	在指定位置插入元素
`E remove(int index)`	移除指定位置的元素，并返回该元素
`int indexOf(Object o)`	返回指定元素在集合中首次出现的位置
`int lastIndexOf(Object o)`	返回指定元素在集合中最后一次出现的位置
`List<E> subList(int fromIndex, int toIndex)`	返回集合中指定范围的子列表（视图）
`boolean isEmpty()`	判断列表是否为空

使用场景及条件

当你需要存储一组有序的对象，且允许对象重复时，可以使用List接口及其实现类。

注意事项

List接口的实现类如ArrayList和LinkedList在底层实现上有所不同，ArrayList基于数组实现，LinkedList基于链表实现，因此它们在性能上各有优劣。

6.3.2 ArrayList集合

ArrayList是基于数组实现的List接口，支持动态扩容。

6.3.3 LinkedList集合

LinkedList是基于链表实现的List接口，支持高效的插入和删除操作。

LinkedList集合新增和删除元素过程

新增元素：在链表尾部新增元素时，只需调整尾指针和新增节点的指针；在链表中间或头部新增元素时，需要遍历找到插入位置，并调整相关节点的指针。
删除元素：在链表尾部删除元素时，只需调整尾指针和前一个节点的指针；在链表中间或头部删除元素时，需要遍历找到删除位置，并调整相关节点的指针。

6.3.4 Iterator接口

概念

Iterator接口用于遍历集合中的元素，是一种通用的迭代器设计模式。

使用场景及条件

当你需要遍历集合中的元素，而不关心元素的存储顺序时，可以使用Iterator接口。

注意事项

在使用Iterator遍历集合时，不能通过集合对象的方法修改集合（如添加、删除元素），否则会抛出ConcurrentModificationException异常。

Iterator对象迭代元素的过程

调用集合的iterator()方法获取Iterator对象。
使用Iterator对象的hasNext()方法判断集合中是否还有元素。
使用Iterator对象的next()方法获取下一个元素。
可以使用Iterator对象的remove()方法删除迭代器上一次返回的元素（可选）。

6.3.5 foreach 循环

概念

foreach循环（也称为增强型for循环）是Java 5引入的一种简化数组和集合遍历的语法。

使用场景及条件

当你需要遍历数组或集合中的元素时，可以使用foreach循环。

注意事项

foreach循环实际上是通过迭代器来实现的，因此它不支持在遍历过程中修改集合（如添加、删除元素）。

具体语法格式

	`for (类型元素 : 数组或集合) {`
	`// 循环体`
	`}`

foreach循环的局限性

无法在遍历过程中修改集合（如添加、删除元素）。
无法获取元素的索引（数组除外）。

6.4 Set接口

6.4.1 Set接口简介

Set接口是Collection接口的子接口，用于存储不重复的元素。

使用场景及条件

当你需要存储一组不重复的对象时，可以使用Set接口及其实现类。

注意事项

Set接口的实现类如HashSet和TreeSet在底层实现上有所不同，HashSet基于哈希表实现，TreeSet基于红黑树实现，因此它们在性能上各有优劣。

6.4.2 HashSet集合

概念

HashSet是基于哈希表实现的Set接口，不保证集合的迭代顺序。

使用场景及条件

当你需要存储一组不重复的对象，且不关心对象的存储顺序时，可以使用HashSet。

注意事项

HashSet允许null元素的存在，但最多只能有一个null元素。
HashSet不保证集合的迭代顺序，因此迭代顺序可能与添加顺序不同。

HashSet存储元素的流程

调用HashSet的add方法添加元素。
计算元素的哈希值，并定位到哈希表中的桶（Bucket）。
如果桶中为空，则直接将元素添加到桶中。
如果桶中已有元素，则比较元素的哈希值和equals方法，如果相同则不添加，否则链式存储到桶中。

6.4.3 TreeSet集合

概念

TreeSet是基于红黑树实现的Set接口，保证集合的元素处于排序状态。

使用场景及条件

当你需要存储一组不重复的对象，且希望集合中的元素处于排序状态时，可以使用TreeSet。

注意事项

TreeSet不允许null元素的存在。
TreeSet中的元素必须实现Comparable接口，或者构造TreeSet时传入一个Comparator对象，否则在添加元素时会抛出ClassCastException异常。

6.5 Map 接口及常用实现

6.5.1 Map 接口简介

概念：
Map接口位于java.util包中，专门用于表示一组键值对映射。Map中的每个键与值一一对应，且键是唯一的。Map本身并不继承自Collection接口，但它提供了一些类似于集合的操作方法。

使用场景：

需要键值对存储时，如数据库查询结果、缓存等。
需要快速根据键查找值时。

使用条件：

键必须是唯一的，不能重复。
值可以重复。

为什么要用：

提供了灵活的键值对存储和查找机制。
可以根据键快速获取值，性能高效。

注意事项：

选择合适的Map实现类，如HashMap、TreeMap、Properties等，根据具体需求选择。
注意线程安全性和性能之间的平衡。

常用方法：

方法声明	功能描述
`V put(K key, V value)`	将指定的键值对插入Map中，返回以前的值（如果有）或null。
`V get(Object key)`	返回指定键所映射的值，如果不包含该键，则返回null。
`V remove(Object key)`	移除键对应的键值对，返回被移除的值。
`boolean containsKey(Object key)`	如果Map中包含指定的键，则返回true。
`boolean containsValue(Object value)`	如果Map中存在一个或多个键映射到指定值，则返回true。
`Set<K> keySet()`	返回Map中所有键的集合。
`Collection<V> values()`	返回Map中所有值的集合。
`Set<Map.Entry<K, V>> entrySet()`	返回Map中所有键值对的集合视图。
`V replace(K key, V value)`	替换指定键的值。
`boolean replace(K key, V oldValue, V newValue)`	如果当前映射包含指定键的指定值，则替换该值。
`V compute(K key, BiFunction<? super K, ? super V, ? extends V> remappingFunction)`	尝试计算指定键及其当前映射值的重新映射函数。
`V merge(K key, V value, BiFunction<? super V, ? super V, ? extends V> remappingFunction)`	如果指定键尚未与某个值相关联（或关联为null），则将其与给定值关联，或者如果已关联一个值，则使用给定的重新映射函数计算新值。

6.5.2 HashMap 集合

概念：
HashMap是Java集合框架中的一个重要实现，用于存储键值对。它基于哈希表的原理，通过哈希函数将键映射到桶（bucket）中，从而实现快速的插入、删除和查找操作。

使用场景：

适用于大多数对性能要求较高且不需要线程安全的场合。
需要快速插入、删除和查找键值对时。

使用条件：

允许使用null值和null键。
不保证键值对的顺序。

为什么要用：

提供了高效的键值对存储和查找机制。
性能优于其他Map实现类（如TreeMap）。

注意事项：

扩容机制：当元素数量超过容量乘以负载因子（默认0.75）时，HashMap会进行扩容，将容量扩大为原来的两倍，并重新哈希所有元素。
链表和红黑树：当多个键的哈希值相同时，这些键会被存储在同一个桶中，形成一个链表。在Java 8及以后，当链表长度超过一定阈值（默认是8）时，链表会转换为红黑树，以提高在高碰撞情况下的性能。

6.5.3 TreeMap 集合

概念：
TreeMap是一种基于红黑树（Red-Black tree）的NavigableMap的实现。它提供了一种可排序的键值对集合。

使用场景：

需要对键进行排序的场合。
需要按照键的顺序进行遍历的场合。

使用条件：

默认情况下采取自然排序，也可以在构造函数中接受一个Comparator实例来定制排序规则。
不允许使用null键。

为什么要用：

提供了有序的键值对存储和查找机制。
可以通过键的顺序进行遍历和查找。

注意事项：

TreeMap的时间复杂度为O(log n)，适用于大规模数据量下的高效存储和检索。
不允许使用null键，否则会抛出NullPointerException。

6.5.4 Properties集合

概念：
Properties集合是一种用于处理键值对数据的集合，它继承自Hashtable类，提供了一种方便的方式来存储和读取配置信息。

使用场景：

用于读取和写入配置信息，如应用程序的配置文件、数据库连接信息等。
需要将键值对数据持久化到文件中的场合。

使用条件：

键和值都是字符串类型。
线程安全，可以在多线程环境中使用。

为什么要用：

提供了方便的配置信息存储和读取机制。
支持持久化存储和读取键值对数据。

注意事项：

使用setProperty(key, value)方法添加键值对。
使用getProperty(key)方法获取指定键对应的值。
使用load(InputStream)方法从文件中加载Properties集合的数据。
使用store(OutputStream, comments)方法将Properties集合的数据保存到文件。

6.6 泛型

6.6.1 泛型概述

概念：
泛型是Java SE 5引入的一个语言特性，它提供了一种在编译时进行类型检查的机制，使得代码更加安全、灵活和易于维护。

使用场景：

需要编写可以处理多种类型数据的类或方法时。
需要提高代码的可重用性和类型安全性时。

使用条件：

泛型类、泛型方法、泛型接口等都需要在声明时指定泛型类型参数。

为什么要用：

提高了代码的可重用性和类型安全性。
减少了运行时类型转换错误的可能性。

注意事项：

泛型信息在运行时会被擦除，泛型类型参数会被替换为它们的限定类型（无限定类型时则为Object）。
无法创建泛型数组。
无法直接实例化泛型类型参数，需要通过反射或其他方式创建实例。

6.6.2 泛型类和泛型对象

概念：
泛型类是指在类定义时使用了泛型类型参数的类。泛型对象是指使用泛型类创建的实例。

声明格式：

	`public class GenericClass<T> {`
	`private T field;`
	`// 构造方法、方法等`
	`}`

创建语法格式：

GenericClass<String> genericObject = new GenericClass<>();

使用场景：

需要编写可以处理多种类型数据的类时。
需要提高代码的可重用性和类型安全性时。

使用条件：

在创建泛型对象时需要指定具体的泛型类型参数。

为什么要用：

提高了代码的可重用性和类型安全性。
使得类可以处理多种类型的数据，而不需要编写多个类似的类。

注意事项：

泛型信息在运行时会被擦除，因此无法通过反射获取泛型类型参数的具体类型。

6.6.3 泛型方法

概念：
泛型方法是指在方法定义时使用了泛型类型参数的方法。

定义格式：

	`public <T> void genericMethod(T param) {`
	`// 方法体`
	`}`

使用场景：

需要编写可以处理多种类型参数的方法时。
需要提高方法的可重用性和类型安全性时。

使用条件：

在调用泛型方法时需要指定具体的泛型类型参数（有时可以通过类型推断自动确定）。

为什么要用：

提高了方法的可重用性和类型安全性。
使得方法可以处理多种类型的数据，而不需要编写多个类似的方法。

注意事项：

泛型方法可以在普通类和泛型类中定义。
泛型信息在运行时会被擦除，因此无法通过反射获取泛型方法的具体类型参数。

6.6.4 泛型接口

概念

泛型接口是Java泛型编程的一个重要特性，它允许在接口定义时引入类型参数，从而使得接口能够处理多种数据类型，提高了代码的复用性和灵活性。

声明泛型接口格式

声明泛型接口的格式与声明泛型类类似，在接口名称后添加尖括号，并在尖括号中指定类型参数。例如：

	`public interface MyGenericInterface<T> {`
	`void doSomething(T param);`
	`}`

定义泛型接口的子类两种方式

在子类定义时指定具体类型：

在子类实现泛型接口时，可以直接在子类名称后指定具体的类型参数。例如：

public class MyConcreteClass implements MyGenericInterface<String> {
@Override
public void doSomething(String param) {
System.out.println("Doing something with: " + param);
}
}
在子类定义时声明泛型类型：

子类也可以在定义时声明自己的泛型类型，然后在实现接口时使用这些泛型类型。例如：

public class MyGenericClass<T> implements MyGenericInterface<T> {
@Override
public void doSomething(T param) {
System.out.println("Doing something with generic type: " + param);
}
}

使用场景与条件

泛型接口常用于需要处理多种数据类型的场景，如集合框架中的List、Set、Map等接口。使用泛型接口可以确保集合中的元素类型一致，避免类型转换错误。

为什么用

使用泛型接口可以提高代码的复用性和安全性。复用性体现在可以通过泛型接口处理多种数据类型，而不需要为每种数据类型编写专门的接口。安全性则体现在编译器可以在编译时检查类型匹配，减少运行时错误。

注意事项

在定义泛型接口时，要确保接口中的方法参数和返回值类型都使用了泛型类型参数。
在实现泛型接口时，如果子类没有指定具体的泛型类型，则需要在子类定义时声明自己的泛型类型。

6.6.5 类型通配符

概念

类型通配符（Type Wildcard）是Java泛型编程中的另一个重要概念，它允许在泛型类型声明时使用问号（?）作为类型参数的占位符，从而提高了代码的灵活性和通用性。

使用场景与条件

类型通配符常用于需要处理未知类型的泛型集合时。例如，当你有一个List集合，但你不知道集合中元素的具体类型时，可以使用List<?>来表示。

为什么用

使用类型通配符可以提高代码的灵活性，允许在不知道具体类型的情况下操作泛型集合。同时，类型通配符还可以结合边界（extends和super）来限制泛型类型的范围，从而提高代码的安全性。

注意事项

当使用类型通配符时，不能在方法内部添加具体类型的元素到集合中，因为编译器无法确定集合的具体类型。
可以使用通配符捕获（Wildcard Capture）和辅助方法来处理这种情况，即在方法内部将类型通配符的集合转换为具体类型的集合。
在使用类型通配符时，要注意选择合适的边界（extends或super），以确保代码的正确性和安全性。

6.7 JDK8新特性——Lambda表达式

概念

Lambda表达式是Java 8引入的一项新特性，它允许以更简洁的方式表示匿名函数或代码块，主要用于函数式编程和简化代码。

六个Lambda表达式常用的语法格式

无参数，无返回值：

Runnable runnable = () -> System.out.println("Hello Lambda!");
一个参数，无返回值：

Consumer<String> consumer = x -> System.out.println(x);
有参数，有返回值（单条语句）：

Comparator<Integer> comparator = (x, y) -> Integer.compare(x, y);
有参数，有返回值（多条语句）：

Comparator<Integer> comparatorWithStatements = (x, y) -> {
System.out.println("Comparing...");
return Integer.compare(x, y);
};

省略参数类型（类型推断）：

	`Comparator<Integer> comparatorWithInference = (Integer x, Integer y) -> Integer.compare(x, y);`
	`// 可以简化为：`
	`Comparator<Integer> comparatorWithInferenceSimplified = (x, y) -> Integer.compare(x, y);`

方法引用：

Consumer<String> consumerWithMethodReference = System.out::println;

使用场景与条件

Lambda表达式常用于需要传递行为（即函数式接口的实现）的场景，如集合操作（forEach、filter、map等）、排序和比较（Comparator接口）、并行和多线程（并行流）、事件处理等。

为什么用

使用Lambda表达式可以使代码更简洁、更紧凑，同时提高代码的可读性和可维护性。此外，Lambda表达式还支持并行流和多线程编程，可以更容易地编写并发代码。

注意事项

Lambda表达式需要函数式接口的支持，即接口中只能有一个抽象方法。
在使用Lambda表达式时，要确保方法参数和返回值类型与函数式接口中的抽象方法一致。
Lambda表达式中的局部变量必须是final的（或在Java 8中，实际上是“有效地final”的），即不能在Lambda表达式内部修改这些变量的值。
在使用Lambda表达式进行集合操作时，要注意避免类型转换错误和空指针异常。

6.8 本章小结

1. 集合概述
集合框架是Java中用于存储和操作一组对象的统一架构。它提供了一种标准的方式来处理对象集合，包括各种数据结构和算法。集合框架的主要目的是通过提供一种统一的操作集合对象的方式，来简化对象的管理和操作。

2. Collection 接口
Collection 是所有单列集合的根接口，它定义了集合的基本操作，如添加、删除和遍历。所有具体的集合类（如 `List`、`Set` 和 `Map`）都继承自 `Collection` 接口或其子接口。

3. List接口
List`是一个有序的集合，可以包含重复的元素。它继承自 `Collection` 接口。

3.1 List接口简介
List提供了对元素的有序访问，并且可以精确控制每个元素的插入位置。

3.2 ArrayList集合
ArrayList 是基于动态数组实现的 `List` 接口的实现类，它允许快速随机访问，但在插入和删除操作时可能需要数组复制，影响性能。

3.3 LinkedList集合
LinkedList是基于双向链表实现的 `List` 接口的实现类，它在进行插入和删除操作时性能较好，但随机访问性能较差。

3.4 Iterator接口
Iterator 提供了一种遍历集合的方法，它定义了 `hasNext()`、`next()` 和 `remove()` 等方法，用于遍历集合中的元素。

3.5 foreach 循环
Java 提供了增强的 `foreach` 循环，使得遍历集合更加简洁和直观。

4. Set接口
Set 是一个不允许重复的集合。

4.1 Set接口简介
Set 接口继承自 Collection，它的实现类必须保证元素的唯一性。

4.2 HashSet集合
HashSet 是基于哈希表实现的 `Set` 接口的实现类，它提供了快速的插入、删除和查找操作。

4.3 TreeSet集合
TreeSet 是基于红黑树实现的 `Set` 接口的实现类，它可以按照自然顺序或自定义顺序对元素进行排序。

5. Map接口
Map 提供了键值对的存储，它继承自 `Collection` 接口。

5.1 Map 接口简介
Map接口存储键值对，它不允许键重复，但允许值重复。

5.2 HashMap 集合
HashMap是基于哈希表实现的 `Map` 接口的实现类，它提供了快速的键值对插入、删除和查找操作。

5.3 TreeMap 集合
TreeMap是基于红黑树实现的 `Map` 接口的实现类，它可以按照自然顺序或自定义顺序对键进行排序。

5.4 Properties集合
Properties 是 `Hashtable` 的子类，它继承自 `Map` 接口，用于处理属性文件。

6. 泛型
泛型提供了一种类型安全的机制，允许在编译时检查类型错误。

6.1 泛型概述
泛型允许在类、接口和方法中使用类型参数，从而提高代码的复用性和类型安全性。

6.2 泛型类和泛型对象
可以创建泛型类和对象，使用类型参数来指定具体的类型。

6.3 泛型方法
可以创建泛型方法，它们在方法级别使用类型参数。

6.4 泛型接口
可以创建泛型接口，它们在接口级别使用类型参数。

6.5 类型通配符
类型通配符提供了一种方式来表示不同类型的集合，如 `List<?>` 表示任何类型的 `List`。

7. JDK8新特性——Lambda表达式
Lambda表达式是JDK 8引入的新特性，它允许你以简洁的方式表示单方法接口的实现。

	`public class MyConcreteClass implements MyGenericInterface<String> {`
	`@Override`
	`public void doSomething(String param) {`
	`System.out.println("Doing something with: " + param);`
	`}`
	`}`

	`public class MyGenericClass<T> implements MyGenericInterface<T> {`
	`@Override`
	`public void doSomething(T param) {`
	`System.out.println("Doing something with generic type: " + param);`
	`}`
	`}`

	`Comparator<Integer> comparatorWithStatements = (x, y) -> {`
	`System.out.println("Comparing...");`
	`return Integer.compare(x, y);`
	`};`