java核心类库（五） 集合类库（二）

五、集合类库（二）

5.7 泛型机制

基本概念

• 通常情况下集合中可以存放不同类型的对象，是因为将所有对象都看做Object类型放入的，因此从集合中取出元素时也是Object类型，为了表达该元素真实的数据类型，则需要强制类型转换，而强制类型转换可能会引发类型转换异常
• 为了避免上述错误的发生，从Java5开始增加泛型机制，也就是在集合名称的右侧使用 <数据类型> 的方式来明确要求该集合中可以存放的元素类型，若放入其它类型的元素则编译报错
• 泛型只在编译时期有效，在运行时期不区分是什么类型
• java7开始的新特性： 菱形特性，就是后面<>中的数据类型可以省略

优缺点

• 添加了泛型机制后，就不需要强转类型

• 指定类型后，就不能放其他不同类型的对象了

使用案例

import java.util.LinkedList;
import java.util.List;

public class ListGenericTest {

    public static void main(String[] args) {

        // 1.准备一个支持泛型机制的List集合，明确要求集合中的元素是String类型
        List<String> lt1 = new LinkedList<String>();
        // 2.向集合中添加元素并打印
        lt1.add("one");
        System.out.println("lt1 = " + lt1); // [one]
        //lt1.add(2);  Error
        // 3.获取集合中的元素并打印
        String s = lt1.get(0);
        System.out.println("获取到的元素是：" + s); // one

        System.out.println("----------------------------------------------------");
        // 2.准备一个支持Integer类型的List集合
        List<Integer> lt2 = new LinkedList<Integer>();
        lt2.add(1);
        lt2.add(2);
        //lt2.add("3"); Error
        System.out.println("lt2 = " + lt2); // [1, 2]
        Integer integer = lt2.get(0);
        System.out.println("获取到的元素是：" + integer); // 1

        System.out.println("----------------------------------------------------");
        // Java7开始的新特性： 菱形特性   就是后面<>中的数据类型可以省略
        List<Double> lt3 = new LinkedList<>();
        
        // 笔试考点
        // 试图将lt1的数值赋值给lt3，也就是覆盖lt3中原来的数值，结果编译报错：集合中支持的类型不同
        //lt3 = lt1; Error
    }
}

底层原理

• 泛型的本质就是参数化类型，也就是让数据类型作为参数传递，其中E相当于形式参数负责占位，而使用集合时<>中的数据类型相当于实际参数（即泛型传递的是数据类型），用于给形式参数E进行初始化，从而使得集合中所有的E被实际参数替换，由于实际参数可以传递各种各样广泛的数据类型，因此得名为泛型
• 如：

    //其中i叫做形式参数，负责占位                其中E叫做形式参数，负责占位    
    //int i = 10;                           E = String;    
    //int i = 20;                           E = Integer;    
    public static void show(int i) {        public interface List<E> {        
         ...                                        ...    
    }                                       }    
    //其中10叫做实际参数，负责给形式参数初始化     //其中String叫做实际参数    
    show(10);                               List<String> lt1 = ...;    
    show(20);                               List<Integer> lt2 = ...;

自定义泛型接口

• 泛型接口和普通接口的区别就是后面添加了类型参数列表，可以有多个类型参数，如：<E, T, … > 等

自定义泛型类

• 泛型类和普通类的区别就是类名后面添加了类型参数列表，可以有多个类型参数，如：==<E, T, … >==等。
• 实例化泛型类时应该指定具体的数据类型，并且是引用数据类型而不是基本数据类型（不支持基本数据类型）
• 父类有泛型，子类可以选择保留泛型也可以选择指定泛型类型
• 子类必须是“富二代”，子类除了指定或保留父类的泛型，还可以增加自己的泛型

使用举例

/**
 * 自定义泛型类，其中T相当于形参，负责占位，具体数字由实参决定
 * @param <T>
 */
public class Person<T> {
    private String name;
    private int age;
    private T gender;

    public Person() {
    }

    public Person(String name, int age, T gender) {
        this.name = name;
        this.age = age;
        this.gender = gender;
    }

    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;
    }

    public T getGender() {
        return gender;
    }

    public void setGender(T gender) {
        this.gender = gender;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Person{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", age=" + age +
                ", gender=" + gender +
                '}';
    }
}

public class PersonTest {

    public static void main(String[] args) {

        // 1.声明Person类型的引用指向Person类型的对象
        // 参数T不指定类型时，默认为Object类
        Person p1 = new Person("zhangfei", 30, "男");
        // 2.调用对象特征
        System.out.println(p1); // Person{name='zhangfei', age=30, gender=男}

        // 3.在创建对象的同时指定数据类型，用于给T初始化
        Person<String> p2 = new Person<>();
        p2.setGender("女");
        System.out.println(p2); // Person{name='null', age=0, gender=女}

        // 使用Boolean类型作为性别的类型
        Person<Boolean> p3 = new Person<>();
        p3.setGender(false);
        System.out.println(p3); // null 0 false
        System.out.println("p3 = " + p3);
    }
}

泛型类被继承的处理

// 不保留泛型且没有指定类型，Person类中的T默认为Object类型
//public class SubPerson extends Person {

// 不保留泛型，但指定了泛型的类型，此时Person类中的T被指定为String类型
//public class SubPerson extends Person<String> {

// 保留父类的泛型，可以在构造对象时指定T的类型
//public class SubPerson<T> extends Person<T> {

// 保留父类泛型，同时子类增加泛型
public class SubPerson<E, T> extends Person<T> {

}

自定义泛型方法

• 泛型方法就是我们输入参数的时候，输入的是泛型参数，而不是具体的参数。我们在调用这个泛型方法的时需要对泛型参数进行实例化

• 泛型方法的格式：

  [访问权限] <泛型> 返回值类型 方法名([泛型标识 参数名称]) { 方法体; }

  // 自定义成员方法实现将参数指定数值中的所有元素打印出来
      public static <T1> void printArray(T1[] arr) {
          for (T1 tt : arr) {
              System.out.println("tt = " + tt);
          }
      }
  
  // 调用泛型方法
          Integer[] arr = {11, 22, 33, 44, 55};
          Person.printArray(arr);// 11 22 33 44 55
  

• 在静态方法中使用泛型参数的时候，需要我们把静态方法定义为泛型方法。

  // 该方法不是泛型方法，不能使用static关键字修饰，因为该方法中的T需要在new对象时才能明确类型
      public /*static*/ T getGender() {
          return gender;
      }
  

泛型在继承上的体现

• 如果B是A的一个子类或子接口，而G是具有泛型声明的类或接口，则G<B>并不是G<A>的子类型！
  比如：String是Object的子类，但是List<String>并不是List<Object>的子类

        // 1.声明两个List类型的集合进行测试
        List<Animal> lt1 = new LinkedList<>();
        List<Dog> lt2 = new LinkedList<>();
        // 试图将lt2的数值赋值给lt1，也就是发生List<Dog>类型向List<Animal>类型的转换
        //lt1 = lt2; // Error：类型之间不具备父子关系

通配符的使用

• 有时候我们希望传入的类型在一个指定的范围内，此时就可以使用泛型通配符了
  如：之前传入的类型要求为Integer类型，但是后来业务需要Integer的父类Number类也可以传入
• 泛型中有三种通配符形式:
  • <?> 无限制通配符：表示我们可以传入任意类型的参数(不支持元素添加，支持元素获取)
  • <? extends E> 表示类型的上界是E，只能是E或者是E的子类(不支持元素添加，支持元素获取)
  • <? super E> 表示类型的下界是E，只能是E或者是E的父类(支持部分添加，支持元素获取)

        // 2.使用通配符作为泛型类型的公共父类
        List<?> lt3 = new LinkedList<>();
        lt3 = lt1; // 可以发生List<Animal>类型向List<?>类型的转换
        lt3 = lt2; // 可以发生List<Dog>类型向List<?>类型的转换

        // 向公共父类中添加和获取元素
        //lt3.add(new Animal()); // Error：不能存放Animal类型的对象
        //lt3.add(new Dog()); // Error: 不能存放Dog类型的对象，不支持元素的添加
        Object o = lt3.get(0); // OK，支持元素的获取，全部当做Object类型来处理

        // 3.使用有限制的通配符
        List<? extends Animal> lt4 = new LinkedList<>();
        //lt4.add(new Animal()); // Error
        //lt4.add(new Dog()); // Error
        //lt4.add(new Object()); // Error
        // 获取元素，可以获取Animal类或Animal的子类
        Animal animal = lt4.get(0);

        List<? super Animal> lt5 = new LinkedList<>();
        lt5.add(new Animal());
        //lt5.add(new Object()); // Error：超过Animal类型的范围
        Object object = lt5.get(0);

5.8 Set集合

基本概念

• java.util.Set集合是Collection集合的子集合，与List集合平级
• 该集合中元素没有先后放入次序，且不允许重复
• 该集合的主要实现类是：HashSet类 和 TreeSet类 以及 LinkedHashSet类
• HashSet类的底层是采用哈希表进行数据管理的，是无序的 (每个元素都是一个单向链表的一维数组)
• TreeSet类的底层是采用红黑树进行数据管理的，是有序的
• LinkedHashSet类与HashSet类的不同之处在于前者内部维护了一个双向链表，链表中记录了元素的迭代顺序，也就是元素插入集合中的先后顺序，因此便于迭代

常用方法

• 参考Collection集合中的方法即可！
• 案例实现：
  准备一个Set集合指向HashSet对象，向该集合中添加元素"two"并打印，再向集合中添加元素"one"并打印，再向集合中添加元素"three"并打印，再向集合中添加"one"并打印

        // 1.声明一个Set类型的引用指向HashSet类型的对象
        Set<String> s1 = new HashSet<>();
        System.out.println("s1 = " + s1); // [啥也没有]

        // 2.向集合中添加元素并打印
        // 从打印结果上看，元素没有先后放入顺序(表面上)
        boolean b1 = s1.add("two");
        System.out.println("b1 = " + b1); // true
        System.out.println("s1 = " + s1); // [two]

        b1 = s1.add("one");
        System.out.println("b1 = " + b1); // true
        System.out.println("s1 = " + s1); // [one, two]

        b1 = s1.add("three");
        System.out.println("b1 = " + b1); // true
        System.out.println("s1 = " + s1); // [one, two, three]

        b1 = s1.add("one");
        System.out.println("b1 = " + b1); // false
        System.out.println("s1 = " + s1); // [one, two, three]

元素放入HashSet集合的原理

• 使用元素调用hashCode方法获取对应的哈希码值，再由某种哈希算法计算出该元素在数组中的索引位置。
• 底层其实为HashMap
• 若该位置没有元素，则将该元素直接放入即可。
• 若该位置有元素，则使用新元素与已有元素依次比较哈希值，若哈希值不相同，则将该元素直接放 入。
• 若新元素与已有元素的哈希值相同，则使用新元素调用equals方法与已有元素依次比较。
• 若相等则添加元素失败，否则将元素直接放入即可

• 思考：为什么要求重写equals方法后要重写hashCode方法呢？
• 解析：
  当两个元素调用equals方法相等时证明这两个元素相同，重写hashCode方法后保证这两个元素得到的哈希码值相同，由同一个哈希算法生成的索引位置相同，此时只需要与该索引位置已有元素比较即可，从而提高效率并避免重复元素的出现

TreeSet类

基本概念

• 二叉树主要指每个节点最多只有两个子节点的树形结构
  

• 满足以下3个特征的二叉树叫做有序二叉树：

  • 左子树中的任意节点元素都小于根节点元素值
  • 右子树中的任意节点元素都大于根节点元素值
  • 左子树和右子树的内部也遵守上述规则
    

• 红黑树其实就是特殊的有序二叉树，由于TreeSet集合的底层采用红黑树进行数据的管理，当有新元素插入到TreeSet集合时，需要使用新元素与集合中已有的元素依次比较来确定新元素的合理位置

• 比较元素大小的规则有两种方式：

  • 使用元素的自然排序规则进行比较并排序，让元素类型实现java.lang.Comparable接口；

  • 使用比较器规则进行比较并排序，构造TreeSet集合时传入java.util.Comparator接口

• 自然排序的规则比较单一，而比较器的规则比较多元化，而且两个方法同时存在时，比较器优先于自然排序

构造方法

构造器	描述
TreeSet()	构造一个新的空树集，根据其元素的自然顺序进行排序
TreeSet(Collection< ？extends E> c)	构造一个新的树集，其中包含指定集合中的元素，并根据其元素的自然顺序进行排序
TreeSet(Comparator< ? super E> comparator)	构造一个新的空树集，根据指定的比较器进行排序
TreeSet(SortedSet<E> s )	构造一个包含相同元素并使用与指定有序集相同排序的新树集

使用举例

class Student implements Comparable<Student> {
    public String name;
    public int age;

    public Student(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Student{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", age=" + age +
                '}';
    }

    @Override
    public int compareTo(Student o) {
        //return 0; // 调用对象和参数对象相等
        //return -1; // 调用对象比参数对象小
        //return 1; // 调用对象比参数对象大
        //return this.name.compareTo(o.name); // 比较姓名
        //return this.age - o.age; // 比较年龄
        /*if (0 == this.name.compareTo(o.name)) {
            return this.age - o.age;
        }
        return this.name.compareTo(o.name);*/
        int ia = this.name.compareTo(o.name);
        return 0 == ia ? (this.age - o.age) : ia;
    }
}

public class TreeSetTest {

    public static void main(String[] args) {

        // 1.准备一个TreeSet集合并打印
        Set<String> s1 = new TreeSet<>();
        System.out.println("s1 = " + s1);

        // 2.向TreeSet集合中添加String类型的对象并打印
        boolean b1 = s1.add("aa");
        System.out.println("b1 = " + b1); // true
        System.out.println("s1 = " + s1); // [aa]

        b1 = s1.add("cc");
        System.out.println("b1 = " + b1); // true
        System.out.println("s1 = " + s1); // [aa, cc]

        b1 = s1.add("bb");
        System.out.println("b1 = " + b1); // true
        // 由于TreeSet集合的底层是采用红黑树实现的，因此元素有大小次序，默认从大到小打印
        System.out.println("s1 = " + s1); // [aa, bb, cc]

        // 4.准备一个比较器作为参数传递给构造方法
        // 匿名内部类：接口/父类类型 引用变量名 = new 接口/父类类型() { 方法的重写 };
        /*Comparator<Student> comparator = new Comparator<Student>() {
            @Override
            // o1表示新增加的对象，o2表示集合中已有的对象
            public int compare(Student o1, Student o2) { 
                return o1.age - o2.age;
            }
        };*/
        
        // 从Java8开始支持Lambda表达式：(参数列表) -> { 方法体 };
        Comparator<Student> comparator = (Student o1, Student o2) -> { return o1.age - o2.age; };

        // 3.准备一个TreeSet集合并放入Student类的对象并打印
        //Set<Student> s2 = new TreeSet<>();
        Set<Student> s2 = new TreeSet<>(comparator);
        s2.add(new Student("guanyu", 35));
        s2.add(new Student("zhangfei", 30));
        s2.add(new Student("liubei", 40));
        System.out.println("s2 = " + s2);

    }
}

5.9 Map集合

基本概念

• java.util.Map<K,V>集合中存取元素的基本单位是：单对元素，其中类型参数如下：
  • K - 此映射所维护的键(Key)的类型，相当于目录
  • V - 映射值(Value)的类型，相当于内容
• 该集合中key是不允许重复的，而且一个key只能对应一个value
• 该集合的主要实现类有：HashMap类、TreeMap类、LinkedHashMap类、Hashtable类、Properties类
• HashMap 类的底层是采用哈希表进行数据管理的
• TreeMap 类的底层是采用红黑树进行数据管理的
• LinkedHashMap类与HashMap类的不同之处在于内部维护了一个双向链表，链表中记录了元素的迭代顺序，也就是元素插入集合中的先后顺序，因此便于迭代
• Hashtable 类是古老的Map实现类，与HashMap类相比属于线程安全的类，且不允许null作为key或者value的数值（笔试题爱考）
• Properties类是Hashtable类的子类，该对象用于处理属性文件，key和value都是String类型的
• Map集合是面向查询优化的数据结构, 在大数据量情况下有着优良的查询性能
• 经常用于根据key检索value的业务场景
• Set集合到Map集合的转换
  

常用方法

方法声明	功能介绍
V put(K key, V value)	将Key-Value对存入Map，若集合中已经包含该Key，则替换该Key所对 应的Value，返回值为该Key原来所对应的Value，若没有则返回null
V get(Object key)	返回与参数Key所对应的Value对象，如果不存在则返回null
boolean containsKey(Object key)	判断集合中是否包含指定的Key
boolean containsValue (Object value)	判断集合中是否包含指定的Value
V remove(Object key)	根据参数指定的key进行删除
Set keySet()	返回此映射中包含的键的Set视图
Collection values()	返回此映射中包含的值的Set视图
Set<Map.Entry<K,V>> entrySet()	返回此映射中包含的映射的Set视图

使用案例

public class MapTest {

    public static void main(String[] args) {

        // 1.准备一个Map集合并打印
        Map<String, String> m1 = new HashMap<>();
        // 自动调用toSting方法，默认打印格式为：{key1=value1, key2=value2, ...}
        System.out.println("m1 = " + m1);

        // 2.向集合中添加元素并打印
        String str1 = m1.put("1", "one");
        System.out.println("原来的value数值为：" + str1); // null
        System.out.println("m1 = " + m1); // {1=one}

        str1 = m1.put("2", "two");
        System.out.println("原来的value数值为：" + str1); // null
        System.out.println("m1 = " + m1); // {1=one, 2=two}

        str1 = m1.put("3", "three");
        System.out.println("原来的value数值为：" + str1); // null
        System.out.println("m1 = " + m1); // {1=one, 2=two, 3=three}
        // 实现了元素的修改
        str1 = m1.put("1", "ONE");
        System.out.println("原来的value数值为：" + str1); // one
        System.out.println("m1 = " + m1); // {1=ONE, 2=two, 3=three}

        // 3.实现集合中的查找操作
        boolean b1 = m1.containsKey("11");
        System.out.println("b1 = " + b1); // false
        b1 = m1.containsKey("1");
        System.out.println("b1 = " + b1); // true

        b1 = m1.containsValue("one");
        System.out.println("b1 = " + b1); // false
        b1 = m1.containsValue("ONE");
        System.out.println("b1 = " + b1); // true

        String str2 = m1.get("5");
        System.out.println("str2 = " + str2); // null
        str2 = m1.get("3");
        System.out.println("str2 = " + str2); // three

        // 4.实现集合中元素的删除
        str2 = m1.remove("1");
        System.out.println("被删除的元素是：" + str2); // ONE
        System.out.println("m1 = " + m1); // {2=two, 3=three}

        // 5.获取Map集合中所有的key并组成Set视图
        Set<String> s1 = m1.keySet();
        // 遍历所有的key
        for (String ts : s1) {
            System.out.println(ts + " = " + m1.get(ts));
        }

        // 6.获取Map集合中所有的value并组成Collection视图
        Collection<String> co = m1.values();
        for (String ts : co) {
            System.out.println("ts = " + ts);
        }

        // 7.获取Map集合中所有的键值对并组成Set视图
        Set<Map.Entry<String, String>> entries = m1.entrySet();
        for (Map.Entry<String, String> me : entries) {
            System.out.println(me);
        }
    }
}

元素放入HashMap集合的原理

• 使用元素的key调用hashCode方法获取对应的哈希码值，再由某种哈希算法计算在数组中的索引位置
• 若该位置没有元素，则将该键值对直接放入即可。
• 若该位置有元素，则使用key与已有元素依次比较哈希值，若哈希值不相同，则将该元素直接放入。
• 若key与已有元素的哈希值相同，则使用key调用equals方法与已有元素依次比较。
• 若相等则将对应的value修改，否则将键值对直接放入即可

---

相关的常量

• DEFAULT_INITIAL_CAPACITY : HashMap的默认容量是16
• DEFAULT_LOAD_FACTOR：HashMap的默认加载因子是0.75
• threshold：扩容的临界值，该数值为：容量*填充因子，也就是12
• TREEIFY_THRESHOLD：若Bucket中链表长度大于该默认值则转化为红黑树存储，该数值是8
• MIN_TREEIFY_CAPACITY：桶中的Node被树化时最小的hash表容量，该数值是64

5.10 Collections类

基本概念

• java.util.Collections类主要提供了对集合操作或者返回集合的静态方法

常用方法

方法声明	功能介绍
static <T extends Object & Comparable<? super T>> T max(Collection<? extends T> coll)	根据元素的自然顺序返回给定集合的大元素
static T max(Collection<? extends T> coll, Comparator<? super T> comp)	根据指定比较器引发的顺序返回给定集合的大元素
static <T extends Object & Comparable<?super T>> T min(Collection<? extends T> coll)	根据元素的自然顺序返回给定集合的小元素
static T min(Collection<? extends T> coll, Comparator<? super T> comp)	根据指定比较器引发的顺序返回给定集合的小元素
static void copy(List<? super T> dest, List<? extends T> src)	将一个列表中的所有元素复制到另一个列表
static void reverse(List<?> list)	反转指定列表中元素的顺序
static void shuffle(List<?> list)	使用默认的随机源随机置换指定的列表
static <T extends Comparable<? super T>> void sort(List list)	根据其元素的自然顺序将指定列表按升序排序
static void sort(List list, Comparator<? super T> c)	根据指定比较器指定的顺序对指定列表进行排序
static void swap(List<?> list, int i, int j)	交换指定列表中指定位置的元素

使用案例

public class CollectionsTest {

    public static void main(String[] args) {

        // 1.准备一个集合并初始化
        List<Integer> lt1 = Arrays.asList(10, 30, 20, 50, 45);
        // 2.实现集合中元素的各种操作
        System.out.println("集合中的最大值是：" + Collections.max(lt1)); // 50
        System.out.println("集合中的最小值是：" + Collections.min(lt1)); // 10

        // 实现集合中元素的反转
        Collections.reverse(lt1);
        System.out.println("lt1 = " + lt1); // [45, 50, 20, 30, 10]
        // 实现两个元素的交换
        Collections.swap(lt1, 0, 4);
        System.out.println("交换后：lt1 = " + lt1); // [10, 50, 20, 30, 45]
        // 实现元素的排序
        Collections.sort(lt1);
        System.out.println("排序后：lt1 = " + lt1); // [10, 20, 30, 45, 50]
        // 随机置换
        Collections.shuffle(lt1);
        System.out.println("随机置换后：lt1 = " + lt1); // [30, 10, 45, 20, 50] 随机
        // 实现集合间元素的拷贝
        //List<Integer> lt2 = new ArrayList<>(20);
        List<Integer> lt2 = Arrays.asList(new Integer[10]);
        System.out.println("lt1的大小是：" + lt1.size());
        System.out.println("lt2的大小是：" + lt2.size());
        // 表示将lt1中的元素拷贝到lt2中
        Collections.copy(lt2, lt1);
        System.out.println("lt2 = " + lt2);
    }
}

注：本内容为个人拉勾教育大数据训练营学习课程笔记