Java教程

【技术积累】Java中的集合框架【一】

本文主要是介绍【技术积累】Java中的集合框架【一】,对大家解决编程问题具有一定的参考价值,需要的程序猿们随着小编来一起学习吧!

什么是Java集合框架?

Java集合框架是Java编程语言中提供的一组接口、实现和算法,用于存储和操作数据集合。集合框架可以让程序员更加高效地组织和操作数据,而无需手动实现底层数据结构。

Java集合框架的优点是:

  1. 提供了丰富、灵活的数据结构和算法,让程序员可以更加高效地完成各种数据操作;
  2. 提供了一组统一的接口,让程序员可以随时替换底层数据结构,以达到更好的性能和效率;
  3. 提供了线程安全的集合实现,可以在多线程环境下进行安全的数据操作。

综上所述,Java集合框架是Java编程语言中十分实用、基础而重要的工具,其灵活、高效和易用的特点使得它一直是Java程序员使用的必备工具之一。

Java集合框架的三大分类是什么

  1. List(列表):List集合存储有序的元素,允许元素重复。List集合提供了根据索引访问列表元素的能力,因此可以通过整数索引来随机存取列表中指定位置的元素。

  2. Set(集合):Set集合存储无序的元素,不允许元素重复。Set集合不提供访问元素的索引,因此只能通过迭代器来遍历Set集合中的元素。

  3. Map(映射):Map集合存储键值对,每个键映射到一个特定的值。Map集合中的键是唯一的,每个键对应一个特定的值。因此,可以通过键来访问相应的值,而不是通过位置或索引来访问。

 

什么是线程安全的集合?什么是非线程安全的集合?

线程安全的集合指多个线程同时操作该集合时,不会出现数据错乱、数据丢失、逻辑错误等问题。Java集合框架中已经提供了许多线程安全的集合,如ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList、ConcurrentSkipListSet等。

举例说明:

ConcurrentHashMap:可以在多线程环境下安全地进行读取和写入操作,内部采用分段锁机制来保证线程安全。例如,多个线程同时想向一个ConcurrentHashMap中添加元素:

ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5);
for (int i = 1; i <= 5; i++) {
    executorService.execute(() -> {
        for (int j = 1; j <= 10000; j++) {
            map.put(Thread.currentThread().getName() + "_" + j, j);
        }
    });
}
executorService.shutdown();

CopyOnWriteArrayList:可以在多线程环境下安全地进行读取操作,写入操作则会进行复制操作来保证线程安全。例如,多个线程同时想向一个CopyOnWriteArrayList中添加元素:

List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5);
for (int i = 1; i <= 5; i++) {
    executorService.execute(() -> {
        for (int j = 1; j <= 10000; j++) {
            list.add(Thread.currentThread().getName() + "_" + j);
        }
    });
}
executorService.shutdown();

非线程安全的集合指多个线程同时操作该集合时,会出现数据错乱、数据丢失、逻辑错误等问题。如ArrayList、HashSet等。如果多个线程同时向一个ArrayList中添加元素,就会出现数据错乱的问题,如:

List<String> list = new ArrayList<>();
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5);
for (int i = 1; i <= 5; i++) {
    executorService.execute(() -> {
        for (int j = 1; j <= 10000; j++) {
            list.add(Thread.currentThread().getName() + "_" + j);
        }
    });
}
executorService.shutdown();

在多线程环境下,为了保证线程安全,应该使用线程安全的集合。

Java集合框架中什么是迭代器?

Java集合框架中的迭代器(Iterator)是一种用于遍历集合中元素的对象。

通过迭代器,可以逐个访问集合中的元素,而不需要了解集合的内部实现方式。

简单来说,Java集合框架就是一组用来管理和操作对象集合的类和接口。

这些类和接口提供了许多在开发过程中常用的方法和功能,如查找、排序、遍历、添加、删除、替换、合并等操作。

迭代器是Java集合框架中的一个重要接口,用来遍历集合中的元素。迭代器允许我们在不了解集合内部结构的情况下,访问集合中的所有元素,逐一进行处理。

迭代器基本操作

  1. hasNext():判断是否还有下一个元素;
  2. next():返回当前元素,并移动指针到下一个元素;
  3. remove():从集合中移除当前元素。

在遍历集合时,建议使用 foreach 循环,可以更加方便地遍历集合,但是并没有 remove() 操作,所以需使用迭代器进行删除。

Java集合框架是Java提供的一组数据结构和算法,用于处理存储数据的集合。其中,迭代器是集合框架的一个重要概念,指的是一种遍历集合元素的机制。

迭代器的作用

允许我们以一种统一的方式访问不同类型的集合对象中的元素,无需关心具体实现细节。

它提供了统一的方法来访问集合对象的元素,包括遍历元素、检查元素是否存在、删除元素等操作。

迭代器的使用场景

  1. 遍历List、Set、Map集合中的所有元素,执行某些操作;
  2. 查找符合条件的元素;
  3. 删除或替换集合中的某个元素等。

迭代器遍历集合的步骤

  1. 使用集合对象的 iterator() 方法获取迭代器对象;
  2. 使用 hasNext() 方法判断是否还有下一个元素,有则调用 next() 方法获取;
  3. 使用 remove() 方法可以在迭代过程中删除元素。

迭代器工作的基本原理

  1. 通过集合对象的iterator()方法获取迭代器对象;
  2. 判断是否还有下一个元素,如果有,则返回true,否则返回false;
  3. 如果有下一个元素,则使用next()方法获取下一个元素。

以下是一个简单的Java案例来说明迭代器的用法:

import java.util.ArrayList;
import java.util.Iterator;

public class IteratorDemo {
    public static void main(String[] args) {

        ArrayList<Integer> list = new ArrayList<Integer>();

        // 添加元素到列表
        list.add(1);
        list.add(2);
        list.add(3);
        list.add(4);
        list.add(5);

        // 获取迭代器
        Iterator<Integer> it = list.iterator();

        // 遍历集合中的元素
        while (it.hasNext()) {
            System.out.println(it.next());
        }
    }
}

该代码通过创建一个 ArrayList,添加元素,然后获取列表的迭代器并遍历所有元素,最后打印每个元素的值。这是一个非常基本的使用迭代器的示例。

什么是fail-fast迭代器和fail-safe迭代器?

Java集合框架中的迭代器是用来遍历集合中元素的工具。在遍历过程中,如果集合被修改,可能会导致迭代器的行为产生不可预测的结果。因此,在Java集合框架中,有两种迭代器类型:fail-fast迭代器和fail-safe迭代器。

fail-fast迭代器的行为是在遍历过程中发现集合被修改,立即抛出ConcurrentModificationException异常,停止遍历过程。fail-fast迭代器采用快速失败机制,可以保证多线程访问集合时的安全性。这种迭代器是默认的迭代器类型,在集合框架中,大多数集合实现类都是采用fail-fast迭代器。

fail-safe迭代器的行为是在遍历过程中发现集合被修改,不会抛出异常,而是创建一个集合的副本,遍历副本中的元素。因为遍历的是副本,即使原集合中的元素被修改,也不会对遍历过程造成影响。这种迭代器适合于在存在并发修改的情况下对集合进行遍历。fail-safe迭代器在Java集合框架中的实现较少,主要应用于Java5之前的Map接口中。

下面是fail-fast迭代器和fail-safe迭代器的使用案例:

1. fail-fast迭代器使用:

List<String> list = new ArrayList<>(Arrays.asList("a", "b", "c"));
Iterator<String> it = list.iterator();
while (it.hasNext()) {
    String s = it.next();
    System.out.println(s);
    list.remove(s);
}

运行上述代码会抛出ConcurrentModificationException异常,因为在遍历列表过程中修改了列表。

2. fail-safe迭代器使用:

CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>(Arrays.asList("a", "b", "c"));
Iterator<String> it = list.iterator();
while (it.hasNext()) {
    String s = it.next();
    System.out.println(s);
    list.remove(s);
}

运行上述代码可以看到,程序正常执行完成。这是因为CopyOnWriteArrayList类使用的是fail-safe迭代器,在遍历过程中删除元素不会对遍历过程造成影响。

ArrayList与LinkedList的区别是什么?

ArrayList和LinkedList都是Java中的集合类,但它们的实现方式略有不同,具体区别如下:

  1. 数据结构
    • ArrayList底层实现是一个可变大小的数组,当添加或删除元素时,需要对数组进行扩容或缩容,因此在频繁添加或删除元素的情况下,性能可能会较差。
    • LinkedList底层实现是一个双向链表,添加或删除元素时只需要改变前后节点的引用,性能较好。
  2. 随机访问
    • 由于ArrayList底层是数组,因此可以通过索引随机访问元素,其时间复杂度为O(1)。
    • LinkedList需要从头节点或尾节点开始顺序遍历,查找某个元素时时间复杂度是O(n)。
  3. 遍历操作
    • 由于ArrayList底层是数组,因此遍历元素时性能较好,时间复杂度为O(n)。
    • LinkedList遍历时需要每次遍历一个节点,时间复杂度也为O(n),但是在插入或删除元素时由于只需要改变前后节点的引用,性能可能会比ArrayList略好一些。
  4. 内存开销
    • ArrayList底层是一个数组,因此在使用时需要预先指定容量,且如果数组中有很多空元素时会浪费一定的内存空间。
    • LinkedList是一个链表,节点之间的关系是通过引用来维护的,内存空间利用率相对较高。
  5. 同步
    • ArrayList没有实现同步机制,因此多线程操作时需要手动进行同步处理。
    • LinkedList实现了List接口的同步方法,可以在多线程环境下安全地使用。

 

综上所述

  • ArrayList适用于读取多、插入、删除少的场景
  • LinkedList适用于插入、删除多、读取少的场景。

因此,在使用时应根据具体的业务场景选择合适的列表实现。

下面是一个使用ArrayList和LinkedList存储一百万个整数,并计算它们的总和的例子。可以看到,ArrayList的操作速度较快,特别是在访问元素时,而LinkedList的操作速度相对较慢,特别是在插入和删除元素时。

import java.util.*;

public class ListExample {
    public static void main(String[] args) {
        long startTime;
        long endTime;

        // 使用ArrayList存储一百万个整数,并计算它们的总和
        List<Integer> arrayList = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            arrayList.add(i);
        }
        startTime = System.currentTimeMillis();
        long sum = 0;
        for (int i = 0; i < arrayList.size(); i++) {
            sum += arrayList.get(i);
        }
        endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("ArrayList: " + sum + ", time: " + (endTime - startTime) + "ms");

        // 使用LinkedList存储一百万个整数,并计算它们的总和
        List<Integer> linkedList = new LinkedList<>();
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            linkedList.add(i);
        }
        startTime = System.currentTimeMillis();
        sum = 0;
        for (int i : linkedList) {
            sum += i;
        }
        endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("LinkedList: " + sum + ", time: " + (endTime - startTime) + "ms");
    }
}

Vector与ArrayList的区别是什么?

Vector和ArrayList都是Java中实现动态数组的类,两者都是基于数组实现,但也存在一些区别:

  1. 线程安全:Vector是线程安全的类,即在并发场景下可以保证数据的一致性,而ArrayList则不是。因为Vector在操作时会加锁,可能会影响性能。

  2. 初始容量:Vector默认容量为10,每次扩容后容量变为原来的2倍,而ArrayList默认容量为10,每次扩容后容量变为原来的1.5倍。

  3. 扩容方式:Vector在扩容时会增加一倍的容量,而ArrayList会增加50%的容量。

  4. 访问速度:在访问元素的时候,Vector采用了同步处理,所以两者的速度上略微有所差别,在并发访问时,ArrayList的速度会更快。

  5. 迭代器:在迭代元素时,Vector使用Enumeration,ArrayList使用Iterator,Iterator的功能更强,可以在迭代时进行删除操作,Enumeration则不支持。

总之,如果没有线程安全方面的考虑,建议使用ArrayList,因为它执行速度更快,操作灵活,功能更丰富。而如果需要线程安全的特性,则应使用Vector。

Stack与LinkedList的区别是什么?

Stack和LinkedList都是Java集合框架中常用的数据结构,但两者有一些明显的区别,主要如下:

1. 底层实现:Stack是用数组实现的,而LinkedList则是使用链表实现的。

2. 数据操作:Stack只能在栈顶做入和出操作。当需要在中间位置插入、删除元素时,必须整体移动数组来完成,效率较低。而LinkedList则可以在任意位置插入、删除元素。

3. 存储方式:Stack是在固定空间内存储元素,而LinkedList则是在节点中存储元素,每个节点都包含指向前后节点的指针,因此占用空间相比Stack更大,但当需要经常执行插入、删除元素操作时,LinkedList的性能要优于Stack。

4. 线程安全:Stack是线程安全的,因为在压入和弹出元素时使用了同步锁来保证线程安全性,而LinkedList则不是线程安全的。

5. 操作效率:由于Stack是基于数组实现的,因此其在访问和遍历元素时的操作效率较高,而LinkedList则因为使用了指针,每次遍历元素时需要访问指针,因此效率较低。

综上所述,当需要快速访问元素时可以使用Stack,当需要经常插入、删除元素时可以使用LinkedList。但LinkedList不是线程安全的,因此在多线程环境下需要考虑使用Stack。

List的isEmpty()和.size()方法的区别是什么?

在Java集合框架中,isEmpty()和size()方法用于判断集合是否为空和获取集合的大小。它们的区别如下:

1. isEmpty()方法

isEmpty()方法返回一个布尔值,用于判断当前集合是否为空。如果集合中没有任何元素,isEmpty()方法将返回true,否则将返回false。

示例代码:

List<String> list = new ArrayList<>();
System.out.println(list.isEmpty()); // true
list.add("Java");
System.out.println(list.isEmpty()); // false

2. size()方法

size()方法返回一个整数,表示当前集合中的元素数量。

示例代码:

List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("Java");
list.add("Python");
list.add("C++");
System.out.println(list.size()); // 3

因此,isEmpty()和size()方法的区别是:

- isEmpty()方法用于判断集合是否为空,返回一个布尔值;
- size()方法用于获取集合中元素的数量,返回一个整数。

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