11-數據結構、List、Set、Collections

數據結構
List集合
Set集合
Collections

數據結構

數據存儲的常用結構有：棧、隊列、數組、鏈表和紅黑樹。我們分別來了解一下：

棧(先進后出)

棧：stack,又稱堆棧，它是運算受限的線性表，其限制是僅允許在標的一端進行插入和刪除操作，不允許在其他任何位置進行添加、查找、刪除等操作。

簡單的說：采用該結構的集合，對元素的存取有如下的特點

先進后出（即，存進去的元素，要在后它后面的元素依次取出后，才能取出該元素）。例如，子彈壓進彈夾，先壓進去的子彈在下面，后壓進去的子彈在上面，當開槍時，先彈出上面的子彈，然后才能彈出下面的子彈。
棧的入口、出口的都是棧的頂端位置。

這里兩個名詞需要注意：

壓棧：就是存元素。即，把元素存儲到棧的頂端位置，棧中已有元素依次向棧底方向移動一個位置。
彈棧：就是取元素。即，把棧的頂端位置元素取出，棧中已有元素依次向棧頂方向移動一個位置。

隊列（先進先出）

隊列.png

隊列：queue,簡稱隊，它同堆棧一樣，也是一種運算受限的線性表，其限制是僅允許在表的一端進行插入，而在表的另一端進行刪除。

簡單的說，采用該結構的集合，對元素的存取有如下的特點：

先進先出（即，存進去的元素，要在后它前面的元素依次取出后，才能取出該元素）。例如，小火車過山洞，車頭先進去，車尾后進去；車頭先出來，車尾后出來。
隊列的入口、出口各占一側。例如，下圖中的左側為入口，右側為出口。

數組（查找快、增刪慢）

數組:Array,是有序的元素序列，數組是在內存中開辟一段連續的空間，并在此空間存放元素。就像是一排出租屋，有100個房間，從001到100每個房間都有固定編號，通過編號就可以快速找到租房子的人。

簡單的說,采用該結構的集合，對元素的存取有如下的特點：

查找元素快：通過索引，可以快速訪問指定位置的元素。
增刪元素慢
指定索引位置增加元素：需要創建一個新數組，將指定新元素存儲在指定索引位置，再把原數組元素根據索引，復制到新數組對應索引的位置
指定索引位置刪除元素：需要創建一個新數組，把原數組元素根據索引，復制到新數組對應索引的位置，原數組中指定索引位置元素不復制到新數組中。

數組.png

鏈表（查找慢，增刪快）

鏈表:linked list,由一系列結點node（鏈表中每一個元素稱為結點）組成，結點可以在運行時i動態生成。每個結點包括兩個部分：一個是存儲數據元素的數據域，另一個是存儲下一個結點地址的指針域。我們常說的鏈表結構有單向鏈表與雙向鏈表，那么這里給大家介紹的是單向鏈表。

簡單的說，采用該結構的集合，對元素的存取有如下的特點：

多個結點之間，通過地址進行連接。例如，多個人手拉手，每個人使用自己的右手拉住下個人的左手，依次類推，這樣多個人就連在一起了。
查找元素慢：想查找某個元素，需要通過連接的節點，依次向后查找指定元素
增刪元素快：
增加元素：只需要修改連接下個元素的地址即可。
刪除元素：只需要修改連接下個元素的地址即可。

紅黑樹

二叉樹：binary tree ,是每個結點不超過2的有序樹（tree） 。

簡單的理解，就是一種類似于我們生活中樹的結構，只不過每個結點上都最多只能有兩個子結點。

二叉樹是每個節點最多有兩個子樹的樹結構。頂上的叫根結點，兩邊被稱作“左子樹”和“右子樹”。

二叉樹.png

我們要說的是二叉樹的一種比較有意思的叫做紅黑樹，紅黑樹本身就是一顆二叉查找樹，將節點插入后，該樹仍然是一顆二叉查找樹。也就意味著，樹的鍵值仍然是有序的。

紅黑樹的約束:

節點可以是紅色的或者黑色的
根節點是黑色的
葉子節點(特指空節點)是黑色的
每個紅色節點的子節點都是黑色的
任何一個節點到其每一個葉子節點的所有路徑上黑色節點數相同

紅黑樹的特點:

? 速度特別快,趨近平衡樹,查找葉子元素最少和最多次數不多于二倍

List集合

我們掌握了Collection接口的使用后，再來看看Collection接口中的子類，他們都具備那些特性呢？

接下來，我們一起學習Collection中的常用幾個子類（java.util.List集合、java.util.Set集合）。

1.1 List接口介紹

java.util.List接口繼承自Collection接口，是單列集合的一個重要分支，習慣性地會將實現了List接口的對象稱為List集合。
在List集合中允許出現重復的元素，所有的元素是以一種線性方式進行存儲的，在程序中可以通過索引來訪問集合中的指定元素。另外，List集合還有一個特點就是元素有序，即元素的存入順序和取出順序一致。

看完API，我們總結一下：
List接口特點：

它是一個元素存取有序的集合。例如，存元素的順序是11、22、33。那么集合中，元素的存儲就是按照11、22、33的順序完成的）。
它是一個帶有索引的集合，通過索引就可以精確的操作集合中的元素（與數組的索引是一個道理）。
集合中可以有重復的元素，通過元素的equals方法，來比較是否為重復的元素。

tips:我們在基礎班的時候已經學習過List接口的子類java.util.ArrayList類，該類中的方法都是來自List中定義。

List接口中常用方法

List作為Collection集合的子接口，不但繼承了Collection接口中的全部方法，而且還增加了一些根據元素索引來操作集合的特有方法，如下：

public void add(int index, E element): 將指定的元素，添加到該集合中的指定位置上。
public E get(int index):返回集合中指定位置的元素。
public E remove(int index): 移除列表中指定位置的元素, 返回的是被移除的元素。
public E set(int index, E element):用指定元素替換集合中指定位置的元素,返回值的更新前的元素。

List集合特有的方法都是跟索引相關，我們在基礎班都學習過，那么我們再來復習一遍吧：

public class ListDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 創建List集合對象
        List<String> list = new ArrayList<String>();
        
        // 往 尾部添加 指定元素
        list.add("圖圖");
        list.add("小美");
        list.add("不高興");
        
        System.out.println(list);
        // add(int index,String s) 往指定位置添加
        list.add(1,"沒頭腦");
        
        System.out.println(list);
        // String remove(int index) 刪除指定位置元素  返回被刪除元素
        // 刪除索引位置為2的元素 
        System.out.println("刪除索引位置為2的元素");
        System.out.println(list.remove(2));
        
        System.out.println(list);
        
        // String set(int index,String s)
        // 在指定位置 進行 元素替代（改） 
        // 修改指定位置元素
        list.set(0, "三毛");
        System.out.println(list);
        
        // String get(int index)  獲取指定位置元素
        
        // 跟size() 方法一起用  來 遍歷的 
        for(int i = 0;i<list.size();i++){
            System.out.println(list.get(i));
        }
        //還可以使用增強for
        for (String string : list) {
            System.out.println(string);
        }   
    }
}

List的子類

3.1 ArrayList集合

java.util.ArrayList集合數據存儲的結構是數組結構。元素增刪慢，查找快，由于日常開發中使用最多的功能為查詢數據、遍歷數據，所以ArrayList是最常用的集合。

許多程序員開發時非常隨意地使用ArrayList完成任何需求，并不嚴謹，這種用法是不提倡的。

3.2 LinkedList集合

java.util.LinkedList集合數據存儲的結構是鏈表結構。方便元素添加、刪除的集合。

LinkedList是一個雙向鏈表，那么雙向鏈表是什么樣子的呢，我們用個圖了解下

image.png

實際開發中對一個集合元素的添加與刪除經常涉及到首尾操作，而LinkedList提供了大量首尾操作的方法。這些方法我們作為了解即可：

public void addFirst(E e):將指定元素插入此列表的開頭。
public void addLast(E e):將指定元素添加到此列表的結尾。
public E getFirst():返回此列表的第一個元素。
public E getLast():返回此列表的最后一個元素。
public E removeFirst():移除并返回此列表的第一個元素。
public E removeLast():移除并返回此列表的最后一個元素。
public E pop():從此列表所表示的堆棧處彈出一個元素。
public void push(E e):將元素推入此列表所表示的堆棧。
public boolean isEmpty()：如果列表不包含元素，則返回true。

LinkedList是List的子類，List中的方法LinkedList都是可以使用，這里就不做詳細介紹，我們只需要了解LinkedList的特有方法即可。在開發時，LinkedList集合也可以作為堆棧，隊列的結構使用。（了解即可）

方法演示：

public class LinkedListDemo {
    public static void main(String[] args) {
        LinkedList<String> link = new LinkedList<String>();
        //添加元素
        link.addFirst("abc1");
        link.addFirst("abc2");
        link.addFirst("abc3");
        System.out.println(link);
        // 獲取元素
        System.out.println(link.getFirst());
        System.out.println(link.getLast());
        // 刪除元素
        System.out.println(link.removeFirst());
        System.out.println(link.removeLast());

        while (!link.isEmpty()) { //判斷集合是否為空
            System.out.println(link.pop()); //彈出集合中的棧頂元素
        }

        System.out.println(link);
    }
}

Set接口

java.util.Set接口和java.util.List接口一樣，同樣繼承自Collection接口，它與Collection接口中的方法基本一致，并沒有對Collection接口進行功能上的擴充，只是比Collection接口更加嚴格了。與List接口不同的是，Set接口中元素無序，并且都會以某種規則保證存入的元素不出現重復。

Set集合有多個子類，這里我們介紹其中的java.util.HashSet、java.util.LinkedHashSet這兩個集合。

tips:Set集合取出元素的方式可以采用：迭代器、增強for。

HashSet集合介紹

java.util.HashSet是Set接口的一個實現類，它所存儲的元素是不可重復的，并且元素都是無序的(即存取順序不一致)。java.util.HashSet底層的實現其實是一個java.util.HashMap支持。
HashSet是根據對象的哈希值來確定元素在集合中的存儲位置，因此具有良好的存取和查找性能。保證元素唯一性的方式依賴于：hashCode與equals方法。

我們先來使用一下Set集合存儲，看下現象，再進行原理的講解:

public class HashSetDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //創建 Set集合
        HashSet<String>  set = new HashSet<String>();

        //添加元素
        set.add(new String("cba"));
        set.add("abc");
        set.add("bac"); 
        set.add("cba");  
        //遍歷
        for (String name : set) {
            System.out.println(name);
        }
    }
}

輸出結果如下，說明集合中不能存儲重復元素：

cba
abc
bac

tips:根據結果我們發現字符串"cba"只存儲了一個，也就是說重復的元素set集合不存儲。

HashSet集合存儲數據的結構（哈希表）

什么是哈希表呢？

在JDK1.8之前，哈希表底層采用數組+鏈表實現，即使用鏈表處理沖突，同一hash值的鏈表都存儲在一個鏈表里。但是當位于一個桶中的元素較多，即hash值相等的元素較多時，通過key值依次查找的效率較低。而JDK1.8中，哈希表存儲采用數組+鏈表+紅黑樹實現，當鏈表長度超過閾值（8）時，將鏈表轉換為紅黑樹，這樣大大減少了查找時間。

簡單的來說，哈希表是由數組+鏈表+紅黑樹（JDK1.8增加了紅黑樹部分）實現的，如下圖所示。

哈希表.png

看到這張圖就有人要問了，這個是怎么存儲的呢？

為了方便大家的理解我們結合一個存儲流程圖來說明一下：

流程圖.png

總而言之，JDK1.8引入紅黑樹大程度優化了HashMap的性能，那么對于我們來講保證HashSet集合元素的唯一，其實就是根據對象的hashCode和equals方法來決定的。如果我們往集合中存放自定義的對象，那么保證其唯一，就必須復寫hashCode和equals方法建立屬于當前對象的比較方式。

2.3 HashSet存儲自定義類型元素

給HashSet中存放自定義類型元素時，需要重寫對象中的hashCode和equals方法，建立自己的比較方式，才能保證HashSet集合中的對象唯一

創建自定義Student類

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;
    }

    @Override
    public boolean equals(Object o) {
        if (this == o)
            return true;
        if (o == null || getClass() != o.getClass())
            return false;
        Student student = (Student) o;
        return age == student.age &&
               Objects.equals(name, student.name);
    }

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

public class HashSetDemo2 {
    public static void main(String[] args) {
        //創建集合對象   該集合中存儲 Student類型對象
        HashSet<Student> stuSet = new HashSet<Student>();
        //存儲 
        Student stu = new Student("于謙", 43);
        stuSet.add(stu);
        stuSet.add(new Student("郭德綱", 44));
        stuSet.add(new Student("于謙", 43));
        stuSet.add(new Student("郭麒麟", 23));
        stuSet.add(stu);

        for (Student stu2 : stuSet) {
            System.out.println(stu2);
        }
    }
}
執行結果：
Student [name=郭德綱, age=44]
Student [name=于謙, age=43]
Student [name=郭麒麟, age=23]

2.3 LinkedHashSet

我們知道HashSet保證元素唯一，可是元素存放進去是沒有順序的，那么我們要保證有序，怎么辦呢？

在HashSet下面有一個子類java.util.LinkedHashSet，它是鏈表和哈希表組合的一個數據存儲結構。

演示代碼如下:

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

1.9 可變參數

在JDK1.5之后，如果我們定義一個方法需要接受多個參數，并且多個參數類型一致，我們可以對其簡化成如下格式：

修飾符 返回值類型 方法名(參數類型... 形參名){  }

其實這個書寫完全等價與

修飾符 返回值類型 方法名(參數類型[] 形參名){  }

只是后面這種定義，在調用時必須傳遞數組，而前者可以直接傳遞數據即可。

JDK1.5以后。出現了簡化操作。... 用在參數上，稱之為可變參數。

同樣是代表數組，但是在調用這個帶有可變參數的方法時，不用創建數組(這就是簡單之處)，直接將數組中的元素作為實際參數進行傳遞，其實編譯成的class文件，將這些元素先封裝到一個數組中，在進行傳遞。這些動作都在編譯.class文件時，自動完成了。

代碼演示：

public class ChangeArgs {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = { 1, 4, 62, 431, 2 };
        int sum = getSum(arr);
        System.out.println(sum);
        //  6  7  2 12 2121
        // 求 這幾個元素和 6  7  2 12 2121
        int sum2 = getSum(6, 7, 2, 12, 2121);
        System.out.println(sum2);
    }

    /*
     * 完成數組  所有元素的求和 原始寫法
     
      public static int getSum(int[] arr){
        int sum = 0;
        for(int a : arr){
            sum += a;
        }
        
        return sum;
      }
    */
    //可變參數寫法
    public static int getSum(int... arr) {
        int sum = 0;
        for (int a : arr) {
            sum += a;
        }
        return sum;
    }
}

tips: 上述add方法在同一個類中，只能存在一個。因為會發生調用的不確定性

注意：如果在方法書寫時，這個方法擁有多參數，參數中包含可變參數，可變參數一定要寫在參數列表的末尾位置。

第五章 Collections

2.1 常用功能

java.utils.Collections是集合工具類，用來對集合進行操作。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) 打亂順序:打亂集合順序。
public static <T> void sort(List<T> list):將集合中元素按照默認規則排序。
public static <T> void sort(List<T> list，Comparator<? super T> ):將集合中元素按照指定規則排序。

代碼演示：

public class CollectionsDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
        //原來寫法
        //list.add(12);
        //list.add(14);
        //list.add(15);
        //list.add(1000);
        //采用工具類 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);
    }
}
結果：
[5, 222, 1, 2]
[1, 2, 5, 222]

代碼演示之后，發現我們的集合按照順序進行了排列，可是這樣的順序是采用默認的順序，如果想要指定順序那該怎么辦呢？

我們發現還有個方法沒有講，public static <T> void sort(List<T> list，Comparator<? super T> ):將集合中元素按照指定規則排序。接下來講解一下指定規則的排列。

2.2 Comparator比較器

我們還是先研究這個方法

public static <T> void sort(List<T> list):將集合中元素按照默認規則排序。

不過這次存儲的是字符串類型。

public class CollectionsDemo2 {
    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
        Collections.sort(list);
        System.out.println(list);
    }
}

結果：

[aba, cba, nba, sba]

我們使用的是默認的規則完成字符串的排序，那么默認規則是怎么定義出來的呢？

說到排序了，簡單的說就是兩個對象之間比較大小，那么在JAVA中提供了兩種比較實現的方式，一種是比較死板的采用java.lang.Comparable接口去實現，一種是靈活的當我需要做排序的時候在去選擇的java.util.Comparator接口完成。

那么我們采用的public static <T> void sort(List<T> list)這個方法完成的排序，實際上要求了被排序的類型需要實現Comparable接口完成比較的功能，在String類型上如下：

public final class String implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {

String類實現了這個接口，并完成了比較規則的定義，但是這樣就把這種規則寫死了，那比如我想要字符串按照第一個字符降序排列，那么這樣就要修改String的源代碼，這是不可能的了，那么這個時候我們可以使用

public static <T> void sort(List<T> list，Comparator<? super T> )方法靈活的完成，這個里面就涉及到了Comparator這個接口，位于位于java.util包下，排序是comparator能實現的功能之一,該接口代表一個比較器，比較器具有可比性！顧名思義就是做排序的，通俗地講需要比較兩個對象誰排在前誰排在后，那么比較的方法就是：

public int compare(String o1, String o2)：比較其兩個參數的順序。

兩個對象比較的結果有三種：大于，等于，小于。

如果要按照升序排序，
則o1 小于o2，返回（負數），相等返回0，01大于02返回（正數）
如果要按照降序排序
則o1 小于o2，返回（正數），相等返回0，01大于02返回（負數）

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  按照第一個單詞的降序
        Collections.sort(list, new Comparator<String>() {
            @Override
            public int compare(String o1, String o2) {
                return o2.charAt(0) - o1.charAt(0);
            }
        });
        System.out.println(list);
    }
}

結果如下：

[sba, nba, cba, aba]

2.3 簡述Comparable和Comparator兩個接口的區別。

Comparable：強行對實現它的每個類的對象進行整體排序。這種排序被稱為類的自然排序，類的compareTo方法被稱為它的自然比較方法。只能在類中實現compareTo()一次，不能經常修改類的代碼實現自己想要的排序。實現此接口的對象列表（和數組）可以通過Collections.sort（和Arrays.sort）進行自動排序，對象可以用作有序映射中的鍵或有序集合中的元素，無需指定比較器。

Comparator強行對某個對象進行整體排序。可以將Comparator 傳遞給sort方法（如Collections.sort或 Arrays.sort），從而允許在排序順序上實現精確控制。還可以使用Comparator來控制某些數據結構（如有序set或有序映射）的順序，或者為那些沒有自然順序的對象collection提供排序。

2.4 練習

創建一個學生類，存儲到ArrayList集合中完成指定排序操作。

Student 初始類

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;
    }

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

測試類：

public class Demo {

    public static void main(String[] args) {
        // 創建四個學生對象 存儲到集合中
        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));


        /*
          讓學生 按照年齡排序 升序
         */
//        Collections.sort(list);//要求 該list中元素類型  必須實現比較器Comparable接口


        for (Student student : list) {
            System.out.println(student);
        }


    }
}

發現，當我們調用Collections.sort()方法的時候程序報錯了。

原因：如果想要集合中的元素完成排序，那么必須要實現比較器Comparable接口。

于是我們就完成了Student類的一個實現，如下：

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

再次測試，代碼就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}

2.5 擴展

如果在使用的時候，想要獨立的定義規則去使用可以采用Collections.sort(List list,Comparetor<T> c)方式，自己定義規則：

Collections.sort(list, new Comparator<Student>() {
    @Override
    public int compare(Student o1, Student o2) {
        return o2.getAge()-o1.getAge();//以學生的年齡降序
    }
});

效果：

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

如果想要規則更多一些，可以參考下面代碼：

Collections.sort(list, new Comparator<Student>() {
            @Override
            public int compare(Student o1, Student o2) {
                // 年齡降序
                int result = o2.getAge()-o1.getAge();//年齡降序

                if(result==0){//第一個規則判斷完了 下一個規則 姓名的首字母 升序
                    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}

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