Collection接口详细介绍（上）

前言：
本篇文章主要讲解Java中的Collection接口以及相关实现类的知识。该专栏比较适合刚入坑Java的小白以及准备秋招的大佬阅读。

如果文章有什么需要改进的地方欢迎大佬提出，对大佬有帮助希望可以支持下哦~

小威在此先感谢各位小伙伴儿了😁

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以下正文开始

文章目录

  • Collection接口介绍
  • List接口详细介绍
  • ArrayList实现类
  • LinkedList实现类
  • 图书推荐

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Collection接口介绍

Java中的集合按照存储结构可以分为两大类，单列集合Collection和双列集合Map，本文将先讲解单列集合Collection的相关知识点。

Java中的Collection集合接口是一个用于存储、处理和操作对象的容器，，它有三个主要的子接口，分别是List、Set和Queue。

  1. List：List接口是一个有序集合，允许重复元素。它继承了Collection接口并添加了一些额外的方法，如get(int index)、set(int index, E element)等。常见实现类包括ArrayList和LinkedList。

  2. Set：Set接口是一个不允许重复元素的集合，保证其内部元素唯一性。它也继承自Collection接口，并且添加了一些特殊的限制条件来保证元素的唯一性。常见实现类包括HashSet和TreeSet。

  3. Queue：Queue接口是一个队列集合，通常按照先进先出（FIFO）原则进行操作。它继承自Collection接口并添加了一些额外的方法，如offer(E e)、poll()等。 常见实现类包括ArrayDeque和PriorityQueue。

接着先列举下Collection接口中的常用方法：

add(E e)：向集合中添加一个元素。
addAll(Collection<? extends E> c)：向集合中添加一个集合中的所有元素。 clear()：清空集合中的所有元素。 contains(Object o)：判断集合中是否包含指定元素。 containsAll(Collection<?> c)：判断集合中是否包含指定集合中的所有元素。
equals(Object o)：比较两个集合是否相等。
hashCode()：返回集合的哈希值。
isEmpty()：判断集合是否为空。
iterator()：返回一个迭代器，用于遍历集合中的元素。
remove(Object o)：从集合中移除指定元素。
removeAll(Collection<?> c)：从集合中移除指定集合中的所有元素。 retainAll(Collection<?> c)：保留集合中指定集合中的所有元素。
size()：返回集合中元素的数量。
toArray()：将集合转换为数组。
toArray(T[] a)：将集合转换为指定类型的数组。

以上是Collection接口中的常用方法，我们开发者会用即可。
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List接口详细介绍

List是Java集合框架中的一种特殊集合，它代表了一组有序的元素集合，允许重复元素的存在，并且每个元素可以根据索引值来进行访问。List接口派生自Collection接口，因此，它继承了Collection接口中的所有方法，同时也提供了一些额外的方法，来支持处理元素的位置和顺序，以下是其方法：

void add(int index, E element)：在指定索引位置插入一个元素。
boolean addAll(Collection<? extends E> c)：将另一个集合中的所有元素添加到该列表中，添加的顺序与原集合相同。 boolean contains(Object o)：如果列表包含指定元素，则返回true。 E get(int index)：返回列表中指定索引位置的元素。 int indexOf(Object o)：返回列表中第一次出现指定元素的索引，如果列表不包含该元素，则返回-1。 boolean isEmpty()：如果列表不包含任何元素，则返回true。 Iterator iterator()：返回一个迭代器，可以用于遍历列表中的所有元素。 E remove(int index)：删除列表中指定索引位置的元素。 boolean removeAll(Collection<?> c)：从列表中删除指定集合中包含的所有元素。
boolean retainAll(Collection<?> c)：仅在列表中保留指定集合中包含的元素。
int size()：返回列表中的元素数。
List subList(int fromIndex, int toIndex)：返回列表中指定范围内的部分元素（fromIndex到toIndex）。
Object[] toArray()：将列表转换成一个数组。

其中，List的主要实现类就有ArrayList和LinkedList，这两个类在使用时有着很大的区别，接下来将详细介绍下这两个类。

ArrayList实现类

ArrayList是Java集合框架中的一个类，实现了List接口。它是一种基于动态数组实现的可变长度序列。

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ArrayList的主要特点主要有哪些呢，请接着看：

  • 长度可变：ArrayList在创建时可以指定初始容量，但其大小并不固定，可以根据需要动态扩展或缩小。这使得ArrayList非常适合存储元素数量不确定的数据。

  • 允许重复元素：和List接口一样，ArrayList也允许包含重复元素。

  • 索引操作高效：由于ArrayList底层使用数组实现，因此对于索引操作（例如get、set）非常快速。时间复杂度为O(1)。

  • 插入/删除低效：由于在任意位置插入或删除元素可能导致后续元素的移动，因此这些操作较慢。具体来说，在最坏情况下，插入/删除一个元素需要将后面所有元素向右/左移动，时间复杂度为O(n)。

  • 不支持原始类型：由于泛型机制的限制，ArrayList不支持原始类型（例如int、double等），只能存储对象类型。如果需要存储原始类型，则需要使用对应的包装类（如Integer、Double等）。

  • 线程不安全：ArrayList是线程不安全的，在多线程环境下需要手动进行同步操作，或者使用线程安全的替代类（如Vector、CopyOnWriteArrayList等）。

使用ArrayList时需要注意：

  1. 容量的初始化：可以通过指定初始容量来避免不必要的扩容操作，从而提高效率。通常情况下，可以根据实际数据量的大小来初始化容量。

  2. 局部变量：为了减少垃圾回收的次数和时间，应该尽可能将ArrayList定义为局部变量，而不是作为类成员变量。

  3. 使用简化版循环：在遍历ArrayList时，可以使用简化版循环（foreach），这样更加简单直观。

  4. 线程安全：如果需要在多线程环境下使用ArrayList，可以考虑使用线程安全的实现类，如使用Collections.synchronizedList()方法将ArrayList转换成线程安全的列表。

ArrayList是基于数组实现的，因此创建ArrayList时需要指定其初始容量。在创建ArrayList时，可以通过无参构造函数来创建一个默认大小为10的ArrayList，也可以通过有参构造函数来创建指定大小的ArrayList。

关于ArrayList的扩容机制，下面以案例详细介绍下：

我们在下面代码中创建了一个大小为20的ArrayList：

ArrayList<String> list = new ArrayList<String>(20);

在创建ArrayList时，如果不指定初始容量，则ArrayList的默认大小为10。当向ArrayList中添加元素时，如果实际存储的元素个数超过了ArrayList当前的容量，则ArrayList会自动进行扩容操作。具体扩容操作的细节如下：

  • 当需要扩容时，ArrayList会创建一个新的更大的数组，并将原来数组中的元素复制到新数组中。

  • 新数组的大小通常是原数组的1.5倍。

  • 扩容后，ArrayList内部维护的数组大小和元素个数会自动更新。

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LinkedList实现类

LinkedList是Java集合框架中的一个类，实现了List接口和Deque（双端队列）接口。它是一种基于链表实现的可变长度序列。
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下面我们介绍一些LinkedList的主要特点：

  1. 长度可变：和ArrayList一样，LinkedList也可以动态扩展或缩小，适用于元素数量不确定的场景。

  2. 允许重复元素：和List接口一样，LinkedList也允许包含重复元素。

  3. 索引操作低效：由于LinkedList底层使用链表实现，在进行索引操作时需要遍历链表，因此较慢。时间复杂度为O(n)。

  4. 插入/删除高效：由于在任意位置插入或删除元素只需要修改相邻节点的指针，因此这些操作较快。具体来说，在最坏情况下，插入/删除一个元素需要遍历n/2个节点，时间复杂度为O(n)。

  5. 支持栈和队列操作：由于实现了Deque接口，因此LinkedList支持栈和队列等数据结构的操作。例如push/pop、offer/poll等方法。

  6. 不支持随机访问：由于索引操作较慢，在进行随机访问时不如ArrayList效率高。如果需要频繁进行随机访问，则应该选择ArrayList。

  7. 线程不安全：和ArrayList一样，LinkedList是线程不安全的，在多线程环境下需要手动进行同步操作，或者使用线程安全的替代类（如ConcurrentLinkedDeque等）。

综上所述，LinkedList适用于频繁进行插入/删除操作且对于随机访问要求不高的场景。在这种情况下，使用LinkedList可以获得更好的性能。如果需要频繁进行索引操作，则应该选择ArrayList。

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