JavaSE基础教程(十九) 集合、List接口、Set 接口、判断集合元素唯一的原理

第1章 List接口

我们掌握了Collection接口的使用后,再来看看Collection接口中的子类,他们都具备那些特性呢?

接下来,我们一起学习Collection中的常用几个子类(List集合、Set集合)。

1.1 List接口介绍

查阅API,看List的介绍。有序的 collection(也称为序列)。此接口的用户可以对列表中每个元素的插入位置进行精确地控制。用户可以根据元素的整数索引(在列表中的位置)访问元素,并搜索列表中的元素。与 set 不同,列表通常允许重复的元素。

看完API,我们总结一下:

List接口:

  • 它是一个元素存取有序的集合。例如,存元素的顺序是11、22、33。那么集合中,元素的存储就是按照11、22、33的顺序完成的)。
  • 它是一个带有索引的集合,通过索引就可以精确的操作集合中的元素(与数组的索引是一个道理)。
  • 集合中可以有重复的元素,通过元素的equals方法,来比较是否为重复的元素。

 

List接口的常用子类有:

  • ArrayList集合
  • LinkedList集合

1.2 List接口中常用的方法

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  • 增加元素方法
    • add(Object e):向集合末尾处,添加指定的元素
    • add(int index, Object e):向集合指定索引处,添加指定的元素,原有元素依次后移
  • 删除元素删除
    • remove(Object e):将指定元素对象,从集合中删除,返回值为被删除的元素
    • remove(int index):将指定索引处的元素,从集合中删除,返回值为被删除的元素
  • 替换元素方法
    • set(int index, Object e):将指定索引处的元素,替换成指定的元素,返回值为替换前的元素
  • 查询元素方法
    • get(int index):获取指定索引处的元素,并返回该元素

方法演示:

List list = new ArrayList();
//1,添加元素。
list.add("小红");
list.add("小梅");
list.add("小强");
//2,插入元素。插入元素前的集合["小红","小梅","小强"]
list.add(1, "老王"); //插入元素后的集合["小红","老王","小梅","小强"]
//3,删除元素。
list.remove(2);// 删除元素后的集合["小红","老王","小强"]
//4,修改元素。
list.set(1, "隔壁老王");// 修改元素后的集合["小红","隔壁老王","小强"]

Iterator it = list.iterator();
while (it.hasNext()) {
	String str = it.next();
	System.out.println(str);
}

由于List集合拥有索引,因此List集合迭代方式除了使用迭代器之外,还可以使用索引进行迭代。

for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
	String str = list.get(i);
	System.out.println(str);			
}

1.2.1 Iterator的并发修改异常

在list集合迭代元素中,对元素进行判断,一旦条件满足就添加一个新元素。代码如下

public class IteratorDemo {
//在list集合迭代元素中,对元素进行判断,一旦条件满足就添加一个新元素
	public static void main(String[] args) {
		//创建List集合
		List list = new ArrayList();
		//给集合中添加元素
		list.add("abc1");
		list.add("abc2");
		list.add("abc3");
		list.add("abc4");
		//迭代集合,当有元素为"abc2"时,集合加入新元素"itcast"
		Iterator it = list.iterator();
		while(it.hasNext()){
			String str = it.next();
			//判断取出的元素是否是"abc2",是就添加一个新元素
			if("abc2".equals(str)){
				list.add("itcast");// 该操作会导致程序出错
			}
		}
		//打印容器中的元素
		System.out.println(list);
	}
}

运行上述代码发生了错误 java.util.ConcurrentModificationException这是什么原因呢?

在迭代过程中,使用了集合的方法对元素进行操作。导致迭代器并不知道集合中的变化,容易引发数据的不确定性。

并发修改异常解决办法:在迭代时,不要使用集合的方法操作元素。

那么想要在迭代时对元素操作咋办?通过ListIterator迭代器操作元素是可以的,ListIterator的出现,解决了使用Iterator迭代过程中可能会发生的错误情况。

1.3 List集合存储数据的结构

List接口下有很多个集合,它们存储元素所采用的结构方式是不同的,这样就导致了这些集合有它们各自的特点,供给我们在不同的环境下进行使用。数据存储的常用结构有:堆栈、队列、数组、链表。我们分别来了解一下:

  • 堆栈,采用该结构的集合,对元素的存取有如下的特点:
    • 先进后出(即,存进去的元素,要在后它后面的元素依次取出后,才能取出该元素)。例如,子弹压进弹夹,先压进去的子弹在下面,后压进去的子弹在上面,当开枪时,先弹出上面的子弹,然后才能弹出下面的子弹。
    • 栈的入口、出口的都是栈的顶端位置
    • 压栈:就是存元素。即,把元素存储到栈的顶端位置,栈中已有元素依次向栈底方向移动一个位置。
    • 弹栈:就是取元素。即,把栈的顶端位置元素取出,栈中已有元素依次向栈顶方向移动一个位置。

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  • 队列,采用该结构的集合,对元素的存取有如下的特点:
    • 先进先出(即,存进去的元素,要在后它前面的元素依次取出后,才能取出该元素)。例如,安检。排成一列,每个人依次检查,只有前面的人全部检查完毕后,才能排到当前的人进行检查。
    • 队列的入口、出口各占一侧。例如,下图中的左侧为入口,右侧为出口。

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  • 数组,采用该结构的集合,对元素的存取有如下的特点:
    • 查找元素快:通过索引,可以快速访问指定位置的元素
    • 增删元素慢:
      • 指定索引位置增加元素:需要创建一个新数组,将指定新元素存储在指定索引位置,再把原数组元素根据索引,复制到新数组对应索引的位置。如下图
      • 指定索引位置删除元素:需要创建一个新数组,把原数组元素根据索引,复制到新数组对应索引的位置,原数组中指定索引位置元素不复制到新数组中。如下图

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  • 链表,采用该结构的集合,对元素的存取有如下的特点:
    • 多个节点之间,通过地址进行连接。例如,多个人手拉手,每个人使用自己的右手拉住下个人的左手,依次类推,这样多个人就连在一起了。
    • 查找元素慢:想查找某个元素,需要通过连接的节点,依次向后查找指定元素
    • 增删元素快:
      • 增加元素:操作如左图,只需要修改连接下个元素的地址即可。
      • 删除元素:操作如右图,只需要修改连接下个元素的地址即可。

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1.4 ArrayList集合

ArrayList集合数据存储的结构是数组结构。元素增删慢,查找快,由于日常开发中使用最多的功能为查询数据、遍历数据,所以ArrayList是最常用的集合。

许多程序员开发时非常随意地使用ArrayList完成任何需求,并不严谨,这种用法是不提倡的。

1.5 LinkedList集合

LinkedList集合数据存储的结构是链表结构。方便元素添加、删除的集合。实际开发中对一个集合元素的添加与删除经常涉及到首尾操作,而LinkedList提供了大量首尾操作的方法。如下图

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LinkedList是List的子类,List中的方法LinkedList都是可以使用,这里就不做详细介绍,我们只需要了解LinkedList的特有方法即可。在开发时,LinkedList集合也可以作为堆栈,队列的结构使用。

方法演示:

LinkedList link = new LinkedList();
    //添加元素
    link.addFirst("abc1");
    link.addFirst("abc2");
    link.addFirst("abc3");
    //获取元素
    System.out.println(link.getFirst());
    System.out.println(link.getLast());
    //删除元素
    System.out.println(link.removeFirst());
    System.out.println(link.removeLast());
    
    while(!link.isEmpty()){ //判断集合是否为空
        System.out.println(link.pop()); //弹出集合中的栈顶元素
}

1.6 Vector集合

Vector集合数据存储的结构是数组结构,为JDK中最早提供的集合。Vector中提供了一个独特的取出方式,就是枚举Enumeration,它其实就是早期的迭代器。此接口Enumeration的功能与 Iterator 接口的功能是类似的。Vector集合已被ArrayList替代。枚举Enumeration已被迭代器Iterator替代。

  • Vector常见的方法:

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  • Enumeration枚举常见的方法:

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  • Vector集合对ArrayList集合使用的对比

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第2章 Set接口

学习Collection接口时,记得Collection中可以存放重复元素,也可以不存放重复元素,那么我们知道List中是可以存放重复元素的。那么不重复元素给哪里存放呢?那就是Set接口,它里面的集合,所存储的元素就是不重复的。

2.1 Set接口介绍

查阅Set集合的API介绍,通过元素的equals方法,来判断是否为重复元素,

2.2 HashSet集合介绍

查阅HashSet集合的API介绍:此类实现Set接口,由哈希表支持(实际上是一个 HashMap集合)。HashSet集合不能保证的迭代顺序与元素存储顺序相同。

HashSet集合,采用哈希表结构存储数据,保证元素唯一性的方式依赖于:hashCode()与equals()方法。

2.3 HashSet集合存储数据的结构(哈希表)

什么是哈希表呢?

哈希表底层使用的也是数组机制,数组中也存放对象,而这些对象往数组中存放时的位置比较特殊,当需要把这些对象给数组中存放时,那么会根据这些对象的特有数据结合相应的算法,计算出这个对象在数组中的位置,然后把这个对象存放在数组中。而这样的数组就称为哈希数组,即就是哈希表。

当向哈希表中存放元素时,需要根据元素的特有数据结合相应的算法,这个算法其实就是Object类中的hashCode方法。由于任何对象都是Object类的子类,所以任何对象有拥有这个方法。即就是在给哈希表中存放对象时,会调用对象的hashCode方法,算出对象在表中的存放位置,这里需要注意,如果两个对象hashCode方法算出结果一样,这样现象称为哈希冲突,这时会调用对象的equals方法,比较这两个对象是不是同一个对象,如果equals方法返回的是true,那么就不会把第二个对象存放在哈希表中,如果返回的是false,就会把这个值存放在哈希表中。

总结: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。

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2.4 HashSet存储JavaAPI中的类型元素

给HashSet中存储JavaAPI中提供的类型元素时,不需要重写元素的hashCode和equals方法,因为这两个方法,在JavaAPI的每个类中已经重写完毕,如String类、Integer类等。

  • 创建HashSet集合,存储String对象。
public class HashSetDemo {
	public static void main(String[] args) {
		//创建HashSet对象
		HashSet hs = new HashSet();
		//给集合中添加自定义对象
		hs.add("zhangsan");
		hs.add("lisi");
		hs.add("wangwu");
		hs.add("zhangsan");
		//取出集合中的每个元素
		Iterator it = hs.iterator();
		while(it.hasNext()){
			String s = it.next();
			System.out.println(s);
		}
	}
}

输出结果如下,说明集合中不能存储重复元素:

wangwu

lisi

zhangsan

2.5 HashSet存储自定义类型元素

给HashSet中存放自定义类型元素时,需要重写对象中的hashCode和equals方法,建立自己的比较方式,才能保证HashSet集合中的对象唯一

  • 创建自定义对象Student
public class Student {
	private String name;
	private int age;
	public Student(String name, int age) {
		super();
		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;
	}
	@Override
	public String toString() {
		return "Student [name=" + name + ", age=" + age + "]";
	}
	@Override
	public int hashCode() {
		final int prime = 31;
		int result = 1;
		result = prime * result + age;
		result = prime * result + ((name == null) ? 0 : name.hashCode());
		return result;
	}
	@Override
	public boolean equals(Object obj) {
		if (this == obj)
			return true;
		if(!(obj instanceof Student)){
			System.out.println("类型错误");
			return false;
		}
		Student other = (Student) obj;
		return this.age ==  other.age && this.name.equals(other.name);
	}
}
  • 创建HashSet集合,存储Student对象。
public class HashSetDemo {
	public static void main(String[] args) {
		//创建HashSet对象
		HashSet hs = new HashSet();
		//给集合中添加自定义对象
		hs.add(new Student("zhangsan",21));
		hs.add(new Student("lisi",22));
		hs.add(new Student("wangwu",23));
		hs.add(new Student("zhangsan",21));
		//取出集合中的每个元素
		Iterator it = hs.iterator();
		while(it.hasNext()){
			Student s = (Student)it.next();
			System.out.println(s);
		}
	}
}

输出结果如下,说明集合中不能存储重复元素:

Student [name=lisi, age=22]

Student [name=zhangsan, age=21]

Student [name=wangwu, age=23]

2.6 LinkedHashSet介绍

我们知道HashSet保证元素唯一,可是元素存放进去是没有顺序的,那么我们要保证有序,怎么办呢?

在HashSet下面有一个子类LinkedHashSet,它是链表和哈希表组合的一个数据存储结构。

演示代码如下:

public class LinkedHashSetDemo {
	public static void main(String[] args) {
		Set set = new LinkedHashSet();
		set.add("bbb");
		set.add("aaa");
		set.add("abc");
		set.add("bbc");
Iterator it = set.iterator();
		while (it.hasNext()) {
			System.out.println(it.next());
		}
	}
}

输出结果如下,LinkedHashSet集合保证元素的存入和取出的顺序:

bbb

aaa

abc

bbc

第3章 判断集合元素唯一的原理

3.1 ArrayList的contains方法判断元素是否重复原理

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ArrayList的contains方法会使用调用方法时,传入的元素的equals方法依次与集合中的旧元素所比较,从而根据返回的布尔值判断是否有重复元素。此时,当ArrayList存放自定义类型时,由于自定义类型在未重写equals方法前,判断是否重复的依据是地址值,所以如果想根据内容判断是否为重复元素,需要重写元素的equals方法。

3.2 HashSet的add/contains等方法判断元素是否重复原理

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Set集合不能存放重复元素,其添加方法在添加时会判断是否有重复元素,有重复不添加,没重复则添加。

HashSet集合由于是无序的,其判断唯一的依据是元素类型的hashCode与equals方法的返回结果。规则如下:

先判断新元素与集合内已经有的旧元素的HashCode值

  • 如果不同,说明是不同元素,添加到集合。
  • 如果相同,再判断equals比较结果。返回true则相同元素;返回false则不同元素,添加到集合。

所以,使用HashSet存储自定义类型,如果没有重写该类的hashCode与equals方法,则判断重复时,使用的是地址值,如果想通过内容比较元素是否相同,需要重写该元素类的hashcode与equals方法。

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