集合框架 JCF

一、概述
二、List - 线性表
- 1、ArrayList（顺序存储）
- 2、LinkedList（链式存储 - 双向链表）
- 3、Vector（顺序存储）
- List - 基本操作
三、Queue (Deque) - 队列（双向队列）
- Queue - 基本操作
- → LinkedList（双向队列）
- - ① 单向队列 - 基本操作
  - ② 双向队列 - 基本操作（实现接口 Deque）
四、Stack - 栈
- Stack - 基本操作
五、Map - 键值对（映射）
- 1、HashTable
- 2、HashMap
六、Set - 集
- → HashSet

本文使用 JDK 版本为 JDK1.15

一、概述

Java集合框架（JCF, Java Collectioin Framework），它下辖各种常用的数据结构，比如：线性表、队列、栈、红黑二叉树等等。
我们常用集合对数据进行临时存储；本篇文章的脉络按照 数据结构 进行分类汇总，下面我们介绍 JCF 体系中，接口与类之间的关系。

二、List - 线性表

1、ArrayList（顺序存储）

本质上是一个动态数组

重要的内部属性 / 方法：
1、为空时，数组的大小默认为0
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
2、添加第一个元素时，数组的默认大小为10
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
3、最大容量（2147483647 - 8，一些虚拟机在数组中保留一些头字，尝试分配较大的数组可能会导致OutOfMemoryError:请求的数组大小超过了VM限制）：
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
4、本源数组：
transient Object[] elementData;
5、数组扩容方法 --> grow（当数组元素仅剩一个空位时进行扩容，扩容后数组容量为原数组的1.5倍）:

无参构造方法：适合数量不确定时使用：

含参构造方法：适合已知（大致）数量，给定初始大小，以尽可能减少扩容开销【参数 initialCapacity 即为初始大小】：

2、LinkedList（链式存储 - 双向链表）

本质上是一个链表结构

重要的内部属性 / 类：
1、首尾节点：
transient Node<E> first;
transient Node<E> last;
2、内部类 Node

3、Vector（顺序存储）

本质上是一个动态数组
底层大量使用synchronized关键字，线程安全

List - 基本操作

List的基本操作如下（我们以 ArrayList 为例）：

//构建 ArrayList 线性表
List<String> list = new ArrayList<>();
//添加数据
list.add("a");
list.add("b");
list.add("c");
list.add("c");
//打印查看线性表内元素
System.out.println(list);
//按索引获取数据
System.out.println("获取 索引为1 的数据： " + list.get(1));
//获取 list 的长度
System.out.println("获取 list 的长度： " + list.size());
//按索引更改元素值
list.set(1, "贰");
//打印查看线性表内元素
System.out.println(list);
//按索引删除元素
list.remove(1);
//打印查看线性表内元素
System.out.println(list);
//首次出现元素索引
System.out.println("首次出现元素 c 的位置索引：" + list.indexOf("c"));
//最后一次出现元素索引
System.out.println("最后一次出现元素 c 的位置索引：" + list.lastIndexOf("c"));
//判断线性表是否为空
System.out.println("判断元素是否为空： " + (list.isEmpty() ? "空" : "非空"));
//清空所有数据
list.clear();
System.out.println("判断元素是否为空： " + (list.isEmpty() ? "空" : "非空"));

运行结果如下：

三、Queue (Deque) - 队列（双向队列）

队列（Queue）是一种 特殊的线性表，特殊之处在于它只允许在表的前端（front）进行删除操作，而在表的后端（rear）进行插入操作，和栈一样，队列是一种操作受限制的线性表。进行插入操作的端称为队尾，进行删除操作的端称为队头。

在Java中，Queue是一个接口，实现这个接口的类可以使用队列的基本操作。
队列的特点是先进先出（First In First Out, FIFO），队列就像我们排队的时候，先来的人总是先离开队伍。
队列是一种常见的数据结构，不仅在应用程序中广泛使用，在操作系统中，也常常采用队列及其变种形式，来处理各种复杂的进程、线程调度问题。
实现其子接口 Deque 可实现双向队列的操作，其拥有栈、队列两种操作方式。

Queue - 基本操作

队列的基本操作（包括 Java语言自带的方法，但仅限于 Queue 接口自己的方法，加粗为队列常用方法）：

进队列 offer（元素从尾部进队列）
出队列 poll（元素从头部出队列）：返回值为队头元素（队列元素为空，返回null）
移除 remove（元素从头部出队列）：返回值为队头元素（队列元素为空，抛出NoSuchElementException异常）
观察 element（获取队头元素，不出队列）：返回值为队头元素（队列元素为空，抛出NoSuchElementException异常）
窥视 peek（获取队头元素，不出队列）：返回值为队头元素（队列元素为空，返回null）

具体操作详见其 实现类 之一：LinkedList

→ LinkedList（双向队列）

双向队列意味着它可以当作堆栈、队列使用，更加灵活，同时由于它还持有 双向链表 的操作，使得它可以根据我们的需要灵活操作。

① 单向队列 - 基本操作

//创建 队列（双向队列）
Queue<String> queue = new LinkedList<>();
//进队列
queue.offer("a");
queue.offer("b");
queue.offer("c");
//打印展示  进队列 offer 操作：
System.out.println("a、b、c 进队尾：");
System.out.println("查看此时队列内情况：" +"\t"+ queue);
//打印展示  出队列 poll 操作，栈顶元素弹出
System.out.println("poll 队头元素出队列：" +"\t"+ queue.poll());
//打印此时栈内情况
System.out.println("查看此时栈内情况：" +"\t"+ queue);
//打印展示  窥视 peek 操作
System.out.println("peek 窥视（获取）栈顶元素：" +"\t"+ queue.peek());
//打印
System.out.println("查看此时栈内情况：" +"\t"+"\t"+ queue);

运行结果如下：

② 双向队列 - 基本操作（实现接口 Deque）

双向队列拥有栈、队列的所有基本操作方式（栈：push、pop，队列：offer、poll、peek、remove、element），并且拥有offerFirst、offerLast、pollFirst、pollLast、peekFirst、peekLast、removeFirst、removeLast 等独有操作方式。

四、Stack - 栈

栈（stack）又名堆栈，它是一种 运算受限的线性表。限定仅在表尾进行插入和删除操作的线性表。这一端被称为栈顶，相对地，把另一端称为栈底。向一个栈插入新元素又称作进栈、入栈或压栈，它是把新元素放到栈顶元素的上面，使之成为新的栈顶元素；从一个栈删除元素又称作出栈或退栈，它是把栈顶元素删除掉，使其相邻的元素成为新的栈顶元素。

在Java中，Stack是一个类，实现这个接口的类可以使用栈的基本操作。
队列的特点是后进先出（Last In First Out, LIFO），Java 的栈（Stack）继承自 Vector ，所以它具有 Vector 的全部方法（基于数组实现），且自己的部分方法也被synchronized所修饰，所以 Stack 也是线程安全的（push 操作除外）。
栈就像一个桶，后放进去的元素先出来，先放进去的元素在桶底，直到最后才能出桶。

Stack - 基本操作

栈的基本操作（包括 Java语言自带的方法，但仅限于 Stack 类自己的方法，加粗为栈结构核心操作）：

压栈 push（元素从顶部进栈）
弹出 pop（获取栈顶元素，出栈）：返回值为栈顶元素
窥视 peek（获取栈顶元素，不出栈）：返回值为栈顶元素
判空 empty（判断是否为空栈，即元素数为0）：返回值为布尔类型
查询 search（查询栈中是否包含元素（与数量无关））：若有则返回与栈顶距离最近的位置，若无则返回-1）

//创建 栈
Stack<String> stack = new Stack<>();
//压栈
stack.push("a");
stack.push("b");
stack.push("c");
//打印展示  压栈 push 操作
System.out.println("a、b、c 分别进栈：");
System.out.println("查看此时栈内情况：" +"\t"+ stack);
//打印展示  出栈 pop 操作，栈顶元素弹出
System.out.println("pop 弹出栈顶元素：" +"\t"+ stack.pop());
//打印此时栈内情况
System.out.println("查看此时栈内情况：" +"\t"+ stack);
//打印展示  窥视 peek 操作
System.out.println("peek 窥视（获取）栈顶元素：" +"\t"+ stack.peek());
//打印
System.out.println("查看此时栈内情况：" +"\t"+"\t"+ stack);
//判断此时是否为空栈（也可使用继承方法isEmpty）
System.out.println("判断此时是否为空栈：" +"\t"+"\t"+ (stack.empty()?"是":"否"));
//分别寻找元素a、c（与数量无关）
System.out.println("查询栈内是否存在a元素：" +"\t"+ (stack.search("a")));
System.out.println("查询栈内是否存在c元素：" +"\t"+ (stack.search("c")));
//打印
System.out.println("查看此时栈内情况：" +"\t"+"\t"+ stack);

运行结果如下：

五、Map - 键值对（映射）

键值对（映射）存储是存储数据的一种简单的组织形式。
键：就是存的值的编号（具有唯一性）。
值：就是要存放的数据。

1、HashTable

Java 中较为经典的键值对结构，它的大部分方法被关键字synchronized修饰，所以它 线程安全。
它的 Key、Value 均不可为 null，否则会抛出异常NullPointerException（可以做添加 null 的操作，但仍会抛出异常）

2、HashMap

Java 中受欢迎的 键值对（Entry<K,V>） 结构，它的底层基于数组 + 链表 / 红黑树 实现，数组中每个元素都是一个 链表 / 红黑树。
可作简单缓存，介于关系数据库与操作之间。
它的 Key、Value 均可为 null，存储 null 并不会抛出异常。

重要属性：
1、初始数组大小（16）
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;
2、数组最大长度（2³⁰，基本等同于int最大值2³¹，但会预留部分空间）
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
3、负载因子（当超过当前容量的0.75时，map就会自动扩容。）
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
在 jdk1.8 以后，当数组长度超过64，链表内元素数 超过8 时则会转化为 红黑树 以提高查询效率，当红黑树元素数 小于6 时，则会退化回链表。
4、树化阈值 / 退链阈值
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
5、维持树形最小数组容量（4 * 化树阈值，最小即为64），如果一个数组元素中的节点太多，则会调整表的大小。
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
6、键值对 Interface Entry<K,V>

HashMap 基本操作：

//创建HashMap结构
Map<Integer,String> map = new HashMap<>();
//放入对应值
map.put(1,"qwe");
map.put(2,"asd");
map.put(3,"zxc");
//打印获取 map 内的元素
System.out.println("打印获取map内的键值对：" + map);
//按Key 获取 Value
System.out.println("获取Key为2的Value：" + map.get(2));
//获取 map 的大小
System.out.println("获取 map 的大小：" + map.size());
//按Key 替换 Value
map.replace(1,"ABC");
//打印获取 map 内的元素
System.out.println("打印获取map内的键值对：" + map);
//覆写（再次 put 放入）
map.put(2,"159");
//打印获取 map 内的元素
System.out.println("打印获取map内的 键值对：" + map);
//移除 元素（返回值为 对应 Value）
System.out.println("打印获取移除的 Value：" + map.remove(3));
//打印获取 map 内的元素
System.out.println("打印获取map内的键值对：" + map);

运行结果如下：

六、Set - 集

Set 中的元素具有 唯一性，即：有序不重复。

→ HashSet

Java 中一种常用的 Set 结构，底层依赖 HashMap，HashSet 依靠 HashMap 的Key 保证其唯一性。

HashSet 基本操作：

//创建HashSet结构
Set<String> set = new HashSet<>();
set.add("abc");
set.add("def");
set.add("ghi");
//是否包含元素 "def"
System.out.println("包含元素 \"def\"？" + (set.contains("def")?"包含":"不包含"));
//移除 元素 "ghi"
System.out.println("移除 \"ghi\" 是否成功：" + (set.remove("ghi")?"是":"否"));
//获取 set 的大小
System.out.println("set 的大小：" + set.size());
//清空 set
System.out.println("清空 set");
set.clear();
//获取 set 的大小
System.out.println("set 的大小：" + set.size());

运行结果如下：

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三、Queue (Deque) - 队列（双向队列）

Queue - 基本操作

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① 单向队列 - 基本操作

② 双向队列 - 基本操作（实现接口 Deque）

四、Stack - 栈

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