Java集合框架总结
集合框架的基本要点
1、Java容器类库的简化图：下面是集合类库更加完备的图。包括抽象类和遗留构件（不包括Queue的实现）：
图1 集合框架类系图
2、ArrayList初始化时不可指定容量，如果以new ArrayList()方式创建时，初始容量为10个；如果以new ArrayList(Collection c)初始化时，容量为c.size()*1.1，即增加10%的容量；当向ArrayList中添加一个元素时，先进行容器的容量调整，如果容量不够时，则增加至原来的1.5倍加1，再然后把元素加入到容器中，即以原始容量的0.5倍比率增加。
3、Vector：初始化时容量可以设定，如果以new Vector()方式创建时，则初始容量为10，超过容量时以2倍容量增加。如果以new Vector(Collection c)方式创建时，初始容量为c.size()*1.1，超过时以2倍容量增加。如果以new Vector(int initialCapacity, int capacityIncrement)，则以capacityIncrement容量增加。
4、集合特点：
- List：保证以某种特定插入顺序来维护元素顺序，即保持插入的顺序，另外元素可以重复。
- ArrayList：是用数组实现的，读取速度快，插入与删除速度慢（因为插入与删除时要移动后面的元素），适合于随机访问。
- Vector：功能与ArrayList几乎相同，也是以数组实现，添加，删除，读取，设置都是基于线程同步的。
- LinkedList：双向链表来实现，删除与插入速度快，读取速度较慢，因为它读取时是从头向尾（如果节点在链的前半部分），或尾向头（如果节点在链的后半部分）查找元素。因此适合于元素的插入与删除操作。
- Set：维持它自己的内部排序，随机访问不具有意义。另外元素不可重复。
- HashSet：是最常用的，查询速度最快，因为内部以HashMap来实现，所以插入元素不能保持插入次序。
- LinkedHashSet：继承了HashSet，保持元素的插入次序，因为内部使用LinkedHashMap实现，所以能保持元素插入次序。
- TreeSet：基于TreeMap，生成一个总是处于排序状态的set，它实现了SortedSet接口，内部以TreeMap来实现
- TreeMap：键以某种排序规则排序，内部以red-black（红-黑）树数据结构实现，实现了SortedMap接口，具体可参考《RED-BLACK(红黑)树的实现TreeMap源码阅读 》。
- HashMap: 以哈希表数据结构实现，查找对象时通过哈希函数计算其位置，它是为快速查询而设计的，其内部定义了一个hash表数组（Entry[] table），元素会通过哈希转换函数将元素的哈希地址转换成数组中存放的索引，如果有冲突，则使用散列链表的形式将所有相同哈希地址的元素串起来，可以通过查看HashMap.Entry的源码看出它是一个单链表结构。
- Hashtable:也是以哈希表数据结构实现的，解决冲突时与HashMap也一样也是采用了散列链表的形式，不过性能比HashMap要低。
- LinkedHashMap:继承HashMap，内部实体LinkedHashMap.Entry继承自HashMap.Entry，LinkedHashMap.Entry在HashMap.Entry的基础上新增了两个实体引用（Entry before, after），这样实体可以相互串链起来形成链，并且在LinkedHashMap中就定义了一个头节点（Entry header）用来指向循环双向链的第一个元素（通过after指向）与最后一个元素（通过before指向）。在添加一个元素时，先会通过父类HashMap将元素加入到hash表数组里，然后再会在链尾（header.before指向位置）添加（当然这一过程只是调整LinkedHashMap.Entry对象内部的before, after而已，而不是真真创建一个什么新的链表结构向里加那样）；删除先从hash表数组中删除，再将被删除的元素彻底的从双向链中断开。其实在链中添加与删除操作与LinkedList是一样的，可以参考《Java集合框架之LinkedList及ListIterator实现源码分析》。
5、Hashtable和HashMap的区别：
- Hashtable中的方法是同步的，而HashMap中的方法在缺省情况下是非同步的。在多线程应用程序中，我们应该使用Hashtable；而对于HashMap，则需要额外的同步机制。但HashMap的同步问题可通过Collections的一个静态方法得到解决：Map Collections.synchronizedMap(Map m)，当然与可以自己在使用地方加锁。
- 在HashMap中，可以允许null作为键，且只可以有一个，否则覆盖，但可以有一个或多个值为null。因为当get()方法返回null值时，即可以表示 HashMap中没有该键，也可以表示该键所对应的值为null，所以HashMap不能由get()方法来判断否存在某个键，而应该用containsKey()方法来判断；而Hashtable不允许null键与null值。
- HashTable使用Enumeration，HashMap使用Iterator。
- Hashtable是Dictionary的子类，HashMap是Map接口的一个实现类；
- HashTable中hash table数组默认大小是11，增加的方式是 int newCapacity = oldCapacity * 2 + 1，即增加至2倍（而不是2倍加1，因为扩容是在增加元素前进行的，在扩容后会将新增元素放入容器中）。HashMap中hash数组的默认大小是16，而且一定是2的多少次方；另外两者的默认负载因子都是0.75。
- 求哈希地址与哈希地址转hash数组（Entry table[]）索引方法不同：
int hash = key.hashCode();//直接使用键的hashCode方法求哈希值
//哈希地址转hash数组索引，先使用最大正int数与，这样将负转正数，再与数组长度求模得到存入的hash数组索引位置
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
而HashMap重新计算hash值，而且用位运算&代替求模：
int hash = hash(k);
int i = indexFor(hash, table.length);
static int hash(Object x) {
//以键本身的hash码为基础求哈希地址，但看不懂是什么意思
int h = x.hashCode();
h += ~(h << 9);
h ^= (h >>> 14);
h += (h << 4);
h ^= (h >>> 10);
return h;
}
static int indexFor(int h, int length) {
return h & (length-1);//将哈希地址转换成哈希数组中存入的索引号
} HashMap实现图：
图2 HashMap的实现图
6、集合中键值是否允许null小结：
- List：可以有多个null，可以有重复值。
- HashSet：能插入一个null（因为内部是以 HashMap实现 ），忽略不插入重复元素。
- TreeSet：不能插入null （因为内部是以 TreeMap 实现 ） ，元素不能重复，如果待插入的元素存在，则忽略不插入，对元素进行排序。
- HashMap：允许一个null键与多个null值，若重复键，则覆盖以前值。
- TreeMap：不允许null键（实际上可以插入一个null键，如果这个Map里只有一个元素是不会报错的，因为一个元素时没有进行排序操作，也就不会报空指针异常，但如果插入第二个时就会立即报错），但允许多个null值，覆盖已有键值。
- Hashtable：不允许null键与null值（否则运行进报空指针异常），也会覆盖已有重复值。基于线程同步。
7、对List的选择：
- 对于随机查询与迭代遍历操作，数组比所有的容器都要快。
- 从中间的位置插入和删除元素，LinkedList要比ArrayList快，特别是删除操作。
- Vector通常不如ArrayList快，则且应该避免使用，它目前仍然存在于类库中的原因是为了支持过去的代码。
- 最佳实践：将ArrayList作为默认首选，只有当程序的性能因为经常从list中间进行插入和删除而变差的时候，才去选择LinkedList。当然了，如果只是使用固定数量的元素，就应该选择数组了。
8、对Set的选择：
- HashSet的性能总比TreeSet好（特别是最常用的添加和查找元素操作）。
- TreeSet存在的唯一原因是，它可以维持元素的排序状态，所以只有当你需要一个排好序的Set时，才应该使用TreeSet。
- 对于插入操作，LinkedHashSet比HashSet略微慢一点：这是由于维护链表所带来额外开销造成的。不过，因为有了链表，遍历LinkedHashSet会比HashSet更快。
9、对Map的选择：
- Hashtable和HashMap的效率大致相同（通常HashMap更快一点，所以HashMap有意取代Hashtable）。
- TreeMap通常比HashMap慢，因为要维护排序。
- HashMap正是为快速查询而设计的。
- LinkedHashMap比HashMap慢一点，因为它维护散列数据结构的同时还要维护链表。
10、Stack基于线程安全，Stack类是用Vector来实现的(public class Stack extends Vector)，但最好不要用集合API里的这个实现栈，因为它继承于Vector，本就是一个错误的设计，应该是一个组合的设计关系。
11、Iterator对ArrayList(LinkedList)的操作限制：
- 刚实例化的迭代器如果还没有进行后移(next)操作是不能马上进行删除与修改操作的。
- 可以用ListIterator对集合连续添加与修改，但不能连续删除。
- 进行添加操作后是不能立即进行删除与修改操作的。
- 进行删除操作后可以进行添加，但不能进行修改操作。
- 进行修改后是可以立即进行删除与添加操作的。
if (e.hash == hash && eq(k, e.key))//先比对hashcode，再使用equals
return true;
static boolean eq(Object x, Object y) {
return x == y || x.equals(y);
}
String对象是可以准确做为键的，因为已重写了这两个方法。
因此，Java中的集合框架中的哈希是以一个对象查找另外一个对象，所以重写hasCode与equals方法很重要。
13、重写hashCode()与equals()这两个方法是针对哈希类，至于其它集合，如果要用public boolean contains(Object o)或containsValue(Object value)查找时，只需要实现equals()方法即可，他们都只使用对象的equals方法进行比对，没有使用hashCode方法。
14、TreeMap/TreeSet的元素比较：放入其中的元素一定要具有自然比较能力(即要实现java.lang.Comparable接口)或者在构造TreeMap/TreeSet时传入一个比较器(实现java.util.Comparator接口)，如果在创建时没有传入比较器，而放入的元素也没有自然比较能力时，会出现类型转换错误(因为在没有较器时，会试着转成Comparable型)。
//自然比较器
public interface java.lang.Comparable {
public int compareTo(Object o);
}
public interface java.util.Comparator {
int compare(Object o1, Object o2);
boolean equals(Object obj);
}
15、Collection或Map的同步控制：可以使用Collections类的相应静态方法来包装相应的集合类，使他们具线程安全，如publicstatic CollectionsynchronizedCollection (Collection c)方法实质返回的是包装后的SynchronizedCollection子类，当然你也可以使用Collections的synchronizedList、synchronizedMap、synchronizedSet方法来获取不同的经过包装了的同步集合，其代码片断：
public class Collections {
//...
static Collection synchronizedCollection(Collection c, Object mutex) {
return new SynchronizedCollection(c, mutex);
}
public static List synchronizedList(List list) {
//...
}
static Set synchronizedSet(Set s, Object mutex) {
//...
}
public static Map synchronizedMap(Map m) {
return new SynchronizedMap(m);
}
//...
static class SynchronizedCollection implements Collection, Serializable {
Collection c; // 对哪个集合进行同步（包装）
Object mutex; // 对象锁，可以自己设置
//...
SynchronizedCollection(Collection c, Object mutex) {
this.c = c;
this.mutex = mutex;
}
public int size() {
synchronized (mutex) {
return c.size();
}
}
public boolean isEmpty() {
synchronized (mutex) {
return c.isEmpty();
}
}
//...
}
static class SynchronizedList extends SynchronizedCollection implements List {
List list;
SynchronizedList(List list, Object mutex) {
super(list, mutex);
this.list = list;
}
public Object get(int index) {
synchronized (mutex) {
return list.get(index);
}
}
//...
}
static class SynchronizedSet extends SynchronizedCollection implements Set {
SynchronizedSet(Set s) {
super(s);
}
//...
}
//...
}
由包装的代码可以看出只是把原集合的相应方法放在同步块里调用罢了。
16、通过迭代器修改集合结构
在使用迭代器遍历集合时，我们不能通过集合本身来修改集合的结构（添加、删除），只能通过迭代器来操作，下面是拿对HashMap删除操作的测试，其它集合也是这样：
public static void main(String[] args) {
Map map = new HashMap();
map.put(1, 1);
map.put(2, 3);
Set entrySet = map.entrySet();
Iterator it = entrySet.iterator();
while (it.hasNext()) {
Entry entry = (Entry) it.next();
/*
* 可以通过迭代器来修改集合结构，但前提是要在已执行过 next 或
* 前移操作，否则会抛异常：IllegalStateException
*/
// it.remove();
/*
* 抛异常：ConcurrentModificationException 因为通过 迭代 器操
* 作时，不能使用集合本身来修
* 改集合的结构
*/
// map.remove(entry.getKey());
}
System.out.println(map);
}
ArrayList vs. LinkedList vs. Vector
从上图可知，它们都实现了List接口。它们的用法差不多，主要的区别在于它们对于不同操作的操作速度不同。
ArrayList是可以改变大小的数组。当有元素添加到ArrayList中去时，它的大小动态的增加。元素可以直接通过get()和set()方法进行访问，因为ArrayList实际上是数组。 LinkedList是个双向链表。它的add()和remove()方法比ArrayList快，但是get()和set()方法却比ArrayList慢。Vector和ArrayList类似，但是Vector是同步的。如果在线程安全的环境下，使用ArrayList是更好的选择。添加元素的时候，当超过初始容量的时候，Vector和ArrayList需要更多的空间：Vector需要将数组的大小增加一倍，而ArrayList需要增加50%。
LinkedList还实现了Queue接口，这样就比ArrayList和Vector多出了一些方法如offer(), peek(), poll()等。
注意：ArrayList的初始容量(initial capacity)很小。当内存足够时，我们应该设置一个比较大的初始容量，这样可以避免重新改变大小。
Vector几乎和ArrayList相等，主要的区别在于Vector是同步的。正因为此，Vector比ArrayList的开销更大。通常大部分程序员都使用ArrayList，他们可以自己写代码进行同步。ArrayList vs. LinkedList的性能比较。时间复杂度如下：
图3 ArrayList vs. LinkedList性能比较
* 表中的add()指的是add(E e)(即是在列表末尾添加元素)，remove()方法指的是remove(int index)。
ArrayList对于任意索引的插入/删除操作的时间复杂度是O(n)，而在列表的尾部的操作时间为O(1)。
LinkedList对于任意索引的插入/删除操作的时间复杂度是O(n)，而在列表的头部或尾部的操作时间为O(1)。
使用下面的代码测试它们的性能：ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();
LinkedList<Integer> linkedList = new LinkedList<Integer>();
// ArrayList add
long startTime = System.nanoTime();
for (int i = 0; i < 100000; i++) {
arrayList.add(i);
}
long endTime = System.nanoTime();
long duration = endTime - startTime;
System.out.println("ArrayList add: " + duration);
// LinkedList add
startTime = System.nanoTime();
for (int i = 0; i < 100000; i++) {
linkedList.add(i);
}
endTime = System.nanoTime();
duration = endTime - startTime;
System.out.println("LinkedList add: " + duration);
// ArrayList get
startTime = System.nanoTime();
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
arrayList.get(i);
}
endTime = System.nanoTime();
duration = endTime - startTime;
System.out.println("ArrayList get: " + duration);
// LinkedList get
startTime = System.nanoTime();
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
linkedList.get(i);
}
endTime = System.nanoTime();
duration = endTime - startTime;
System.out.println("LinkedList get: " + duration);
// ArrayList remove
startTime = System.nanoTime();
for (int i = 9999; i >=0; i--) {
arrayList.remove(i);
}
endTime = System.nanoTime();
duration = endTime - startTime;
System.out.println("ArrayList remove: " + duration);
// LinkedList remove
startTime = System.nanoTime();
for (int i = 9999; i >=0; i--) {
linkedList.remove(i);
}
endTime = System.nanoTime();
duration = endTime - startTime;
System.out.println("LinkedList remove: " + duration); 输出如下：
ArrayList add: 13265642 LinkedList add: 9550057 ArrayList get: 1543352 LinkedList get: 85085551 ArrayList remove: 199961301 LinkedList remove: 85768810
图4 各List数据结构性能比较
它们的性能的差别很显著。LinkedList对于add()和remove()相对于ArrayList要快，但是get()要慢些。按照复杂度以及测试结果来看，我们很容易知道什么时候该使用ArrayList，什么时候该使用LinkedList。简而言之，下面的情况该使用LinkedList：
- 如果没有大量的随机访问
- 如果有很多add/remove的操作
HashSet vs. TreeSet vs. LinkedHashSet
HashSet是采用hash表来实现的。其中的元素没有按顺序排列，add()、remove()以及contains()等方法都是复杂度为O(1)的方法。
TreeSet是采用树结构实现(红黑树算法)。元素是按顺序进行排列，但是add()、remove()以及contains()等方法都是复杂度为O(log (n))的方法。它还提供了一些方法来处理排序的set，如first(), last(), headSet(), tailSet()等等。
LinkedHashSet介于HashSet和TreeSet之间。它也是一个hash表，但是同时维护了一个双链表来记录插入的顺序。基本方法的复杂度为O(1)。
总体而言，如果你需要一个访问快速的Set，你应该使用HashSet；当你需要一个排序的Set，你应该使用TreeSet；当你需要记录下插入时的顺序时，你应该使用LinedHashSet。下面的代码测试了以上三个类的add()方法的性能。
public static void main(String[] args) {
Random r = new Random();
HashSet<Dog> hashSet = new HashSet<Dog>();
TreeSet<Dog> treeSet = new TreeSet<Dog>();
LinkedHashSet<Dog> linkedSet = new LinkedHashSet<Dog>();
// start time
long startTime = System.nanoTime();
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
int x = r.nextInt(1000 - 10) + 10;
hashSet.add(new Dog(x));
}
// end time
long endTime = System.nanoTime();
long duration = endTime - startTime;
System.out.println("HashSet: " + duration);
// start time
startTime = System.nanoTime();
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
int x = r.nextInt(1000 - 10) + 10;
treeSet.add(new Dog(x));
}
// end time
endTime = System.nanoTime();
duration = endTime - startTime;
System.out.println("TreeSet: " + duration);
// start time
startTime = System.nanoTime();
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
int x = r.nextInt(1000 - 10) + 10;
linkedSet.add(new Dog(x));
}
// end time
endTime = System.nanoTime();
duration = endTime - startTime;
System.out.println("LinkedHashSet: " + duration);
从输出看来，HashSet是最快的：
HashSet: 2244768 TreeSet: 3549314 LinkedHashSet: 2263320注意这个测试并不是非常精确，但足以反映基本的情况。
HashMap vs. TreeMap vs. Hashtable vs. LinkedHashMap
Java SE中有四种常见的Map实现——HashMap, TreeMap, Hashtable和LinkedHashMap。如果我们使用一句话来分别概括它们的特点，就是：
- HashMap就是一张hash表，键和值都没有排序。
- TreeMap以红-黑树结构为基础，键值按顺序排列。
- LinkedHashMap保存了插入时的顺序。
- Hashtable是同步的（而HashMap是不同步的）。所以如果在线程安全的环境下应该多使用HashMap，而不是Hashtable，因为Hashtable对同步有额外的开销。
- 1. 如果两个对象相等的话，它们的hash code必须相等；
- 2. 但如果两个对象的hash code相等的话，这两个对象不一定相等。
Map的结构能够快速找到一个对象，而不是进行较慢的线性查找。使用hash过的键来定位对象分两步。Map可以看作是数组的数组，第一个数组的索引就是对键采用hashCode()计算出来的值，再在这个位置上查找第二个数组，使用键的equals()方法来进行线性查找，直到找到要找的对象。Object类中的hashCode()对于不同的对象返回不同的整数，不同的对象（即使相同的类型）也返回不同的hash值。可见HashMap不允许有两个相等的Key键存在。默认情况下（也就是Key的类型没有实现hashCode()和equals()方法时），会使用Object类中的这两个方法。equals()方法默认只比较两个引用是否指向同样的对象。因此对自定义的Key类型，你要重写hashCode()和equals()，使它们能做正确的比较。
Hash码就像是一个存储空间的序列，不同的东西放在不同的存储空间中。将不同的东西整理放在不同的空间中（而不是堆积在一个空间中）更高效。所以能够均匀的分散hash码是再好不过了。
TreeMap按照键的顺序进行排列对象，所以键的对象之间需要能够比较，所以就要实现Comparable接口。你可以使用已经实现了Comparable接口的类来作为键，如String。
对Hashtable，Java文档写道：HashMap类和Hashtable类几乎相同，不同之处在于HashMap是不同步的，也允许接受null键和null值。
LinkedHashMap是HashMap的子类，所以LinkedHashMap继承了HashMap的一些属性，它在HashMap基础上增加的特性就是保存了插入对象的顺序。
参考文献：
http://jiangzhengjun.iteye.com/blog/553191
http://www.programcreek.com/java-collections/