java容器类---概述

1、容器类关系图

虚线框表示接口。
实线框表示实体类。
粗线框表示最常用的实体类。
点线的箭头表示实现了这个接口。
实线箭头表示类可以制造箭头所指的那个类的对象。

Java集合工具包位于Java.util包下，包含了很多常用的数据结构，如数组、链表、栈、队列、集合、哈希表等。学习Java集合框架下大致可以分为如下五个部分：List列表、Set集合、Map映射、迭代器（Iterator、Enumeration）、工具类（Arrays、Collections）。

从上图中可以看出，集合类主要分为两大类：Collection和Map。

    Collection是List、Set等集合高度抽象出来的接口，它包含了这些集合的基本操作，它主要又分为两大部分：List和Set。

    List接口通常表示一个列表（数组、队列、链表、栈等），其中的元素可以重复，常用实现类为ArrayList和LinkedList，另外还有不常用的Vector。另外，LinkedList还是实现了Queue接口，因此也可以作为队列使用。

    Set接口通常表示一个集合，其中的元素不允许重复（通过hashcode和equals函数保证），常用实现类有HashSet和TreeSet，HashSet是通过Map中的HashMap实现的，而TreeSet是通过Map中的TreeMap实现的。另外，TreeSet还实现了SortedSet接口，因此是有序的集合（集合中的元素要实现Comparable接口，并覆写Compartor函数才行）。

    我们看到，抽象类AbstractCollection、AbstractList和AbstractSet分别实现了Collection、List和Set接口，这就是在Java集合框架中用的很多的适配器设计模式，用这些抽象类去实现接口，在抽象类中实现接口中的若干或全部方法，这样下面的一些类只需直接继承该抽象类，并实现自己需要的方法即可，而不用实现接口中的全部抽象方法。

    Map是一个映射接口，其中的每个元素都是一个key-value键值对，同样抽象类AbstractMap通过适配器模式实现了Map接口中的大部分函数，TreeMap、HashMap、WeakHashMap等实现类都通过继承AbstractMap来实现，另外，不常用的HashTable直接实现了Map接口，它和Vector都是JDK1.0就引入的集合类。

    Iterator是遍历集合的迭代器（不能遍历Map，只用来遍历Collection），Collection的实现类都实现了iterator()函数，它返回一个Iterator对象，用来遍历集合，ListIterator则专门用来遍历List。而Enumeration则是JDK1.0时引入的，作用与Iterator相同，但它的功能比Iterator要少，它只能再Hashtable、Vector和Stack中使用。

    Arrays和Collections是用来操作数组、集合的两个工具类，例如在ArrayList和Vector中大量调用了Arrays.Copyof()方法，而Collections中有很多静态方法可以返回各集合类的synchronized版本，即线程安全的版本，当然了，如果要用线程安全的结合类，首选Concurrent并发包下的对应的集合类。

2、容器类持有对象方式

1 Collection：只允许每个位置上放一个对象。它包括“以一定顺序持有一组对象”的List，以及“只能允许添加不重复对象”的Set。你可以用add()方法向Collection对象中加元素。

2 Map：一组以“键－值”（key－value）的形式出现的pair，Map也不接受重复的key值。你可以用put()方法往Map里面加元素。

Collection 和 Collections的区别：
Collections是个java.util下的类，它包含有各种有关集合操作的静态方法，实现对各种集合的搜索、排序、线程安全化等操作。
Collection是个java.util下的接口，它是各种集合结构的父接口。继承自它的接口主要有Set 和List.

3、Iterator接口

发现一个特点，上述所有的集合类，都实现了Iterator接口，

这是一个用于遍历集合中元素的接口，主要包含hashNext(),next(),remove()三种方法。它的一个子接口ListIterator在它的基础上又添加了三种方法，分别是add(),previous(),hasPrevious()。也就是说如果实现Iterator接口，那么在遍历集合中元素的时候，只能往后遍历，被遍历后的元素不会在遍历到，通常无序集合实现的都是这个接口，比如HashSet，HashMap；

而那些元素有序的集合，实现的一般都是ListIterator接口，实现这个接口的集合可以双向遍历，既可以通过next()访问下一个元素，又可以通过previous()访问前一个元素，比如ArrayList。

抽象类：
还有一个特点就是抽象类的使用。如果要自己实现一个集合类，去实现那些抽象的接口会非常麻烦，工作量很大。这个时候就可以使用抽象类，这些抽象类中给我们提供了许多现成的实现，我们只需要根据自己的需求重写一些方法或者添加一些方法就可以实现自己需要的集合类，工作流昂大大降低。

4、Set接口

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。
Set判断两个对象相同不是使用==运算符，而是根据equals方法。也就是说，只要两个对象用equals方法比较返回true，Set就不会接受这两个对象。

4.1 HashSet

HashSet：是Set接口的一个子类，主要的特点是：里面不能存放重复元素，而且采用散列的存储方法，所以没有顺序。这里所说的没有顺序是指：元素插入的顺序与输出的顺序不一致。

HashSet有以下特点：
不能保证元素的排列顺序，顺序有可能发生变化
不是同步的
集合元素可以是null,但只能放入一个null

当向HashSet结合中存入一个元素时，HashSet会调用该对象的hashCode()方法来得到该对象的hashCode值，然后根据 hashCode值来决定该对象在HashSet中存储位置。
简单的说，HashSet集合判断两个元素相等的标准是两个对象通过equals方法比较相等，并且两个对象的hashCode()方法返回值相等
注意，如果要把一个对象放入HashSet中，重写该对象对应类的equals方法，也应该重写其hashCode()方法。其规则是如果两个对象通过equals方法比较返回true时，其hashCode也应该相同。另外，对象中用作equals比较标准的属性，都应该用来计算 hashCode的值。


4.2 LinkedHashSet
LinkedHashSet集合同样是根据元素的hashCode值来决定元素的存储位置，但是它同时使用链表维护元素的次序。这样使得元素看起来像是以插入顺序保存的，也就是说，当遍历该集合时候，LinkedHashSet将会以元素的添加顺序访问集合的元素。

LinkedHashSet在迭代访问Set中的全部元素时，性能比HashSet好，但是插入时性能稍微逊色于HashSet。


4.3 TreeSet类
TreeSet是SortedSet接口的唯一实现类，TreeSet可以确保集合元素处于排序状态。TreeSet支持两种排序方式，自然排序和定制排序，其中自然排序为默认的排序方式。向TreeSet中加入的应该是同一个类的对象。
TreeSet判断两个对象不相等的方式是两个对象通过equals方法返回false，或者通过CompareTo方法比较没有返回0

自然排序:
自然排序使用要排序元素的CompareTo（Object obj）方法来比较元素之间大小关系，然后将元素按照升序排列。
Java提供了一个Comparable接口，该接口里定义了一个compareTo(Object obj)方法，该方法返回一个整数值，实现了该接口的对象就可以比较大小。
obj1.compareTo(obj2)方法如果返回0，则说明被比较的两个对象相等，如果返回一个正数，则表明obj1大于obj2，如果是 负数，则表明obj1小于obj2。
如果我们将两个对象的equals方法总是返回true，则这两个对象的compareTo方法返回应该返回0

定制排序
自然排序是根据集合元素的大小，以升序排列，如果要定制排序，应该使用Comparator接口，实现 int compare(T o1,T o2)方法

5、List接口

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。List允许有相同的元素。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。
实现List接口的常用类有LinkedList，ArrayList，Vector和Stack。

5.1 LinkedList类
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(...));

5.2 ArrayList类
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）。

5.3 Vector类
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。

5.4 Stack 类
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。

ArrayList和Vector的区别：
一.同步性:Vector是线程安全的，也就是说是同步的，而ArrayList是线程序不安全的，不是同步的。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。
二.数据增长:当需要增长时,Vector默认增长为原来一培，而ArrayList却是原来的一半

Array与Arrays:
Array就是数组，也就是长度固定的容器，一但创建了这个对象就不能改变其大小(capacity)。
Arrays是Array的工具类，其静态方法定义了对Array的各种操作:

5、Map接口
　　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 Hashtable类
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。Hashtable是同步的。
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。
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));</span>

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。

5、2 HashMap类
　　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。


5.3 WeakHashMap类
　　WeakHashMap是一种改进的HashMap，它对key实行“弱引用”，如果一个key不再被外部所引用，那么该key可以被GC回收。

HashMap和Hashtable的区别:
HashTable的应用非常广泛，HashMap是Hashtable的轻量级实现（非线程安全的实现），HashMap是新框架中用来代替HashTable的类，也就是说建议使用HashMap，不要使用HashTable。
1.HashTable的方法是同步的，HashMap未经同步，所以在多线程场合要手动同步HashMap这个区别就像Vector和ArrayList一样。
2.HashTable不允许null值(key和value都不可以),HashMap允许null值(key和value都可以)。
3.HashMap把Hashtable的contains方法去掉了，改成containsvalue和containsKey。因为contains方法容易让人引起误解。
4.HashTable使用Enumeration，HashMap使用Iterator。

总结
如果涉及到堆栈，队列等操作，应该考虑用List，对于需要快速插入，删除元素，应该使用LinkedList，如果需要快速随机访问元素，应该使用ArrayList。
如果程序在单线程环境中，或者访问仅仅在一个线程中进行，考虑非同步的类，其效率较高，如果多个线程可能同时操作一个类，应该使用同步的类。


要特别注意对哈希表的操作，作为key的对象要正确复写equals和hashCode方法。
尽量返回接口而非实际的类型，如返回List而非ArrayList，这样如果以后需要将ArrayList换成LinkedList时，客户端代码不用改变。这就是针对抽象编程。

参考来源：

HashSet,TreeSet和LinkedHashSet的区别

JAVA容器类解析 

【Java集合源码剖析】Java集合框架