数组有如下限制：

  • 数组初始化后大小不可变；

  • 数组只能按索引顺序存取。

    1.Collection

    Java标准库自带的java.util包提供了集合类：Collection，它是除Map外所有其他集合类的根接口。Java的java.util包主要提供了以下三种类型的集合：

  • List：一种有序列表的集合，例如，按索引排列的Student的List；

  • Set：一种保证没有重复元素的集合，例如，所有无重复名称的Student的Set；
  • Map：一种通过键值（key-value）查找的映射表集合，例如，根据Student的name查找对应Student的Map。

Java集合的设计有几个特点：一是实现了接口和实现类相分离，例如，有序表的接口是List，具体的实现类有ArrayList，LinkedList等，二是支持泛型，我们可以限制在一个集合中只能放入同一种数据类型的元素。
Java访问集合总是通过统一的方式——迭代器（Iterator）来实现，它最明显的好处在于无需知道集合内部元素是按什么方式存储的。
由于Java的集合设计非常久远，中间经历过大规模改进，我们要注意到有一小部分集合类是遗留类，不应该继续使用：

  • Hashtable：一种线程安全的Map实现；
  • Vector：一种线程安全的List实现；
  • Stack：基于Vector实现的LIFO的栈。

还有一小部分接口是遗留接口，也不应该继续使用：

  • Enumeration：已被Iterator取代。

Java的集合类定义在java.util包中，支持泛型，主要提供了3种集合类，包括List，Set和Map。Java集合使用统一的Iterator遍历，尽量不要使用遗留接口。

2.List

ArrayList把添加和删除的操作封装起来，让我们操作List类似于操作数组，却不用关心内部元素如何移动。
我们考察List接口，可以看到几个主要的接口方法：

  • 在末尾添加一个元素：boolean add(E e)
  • 在指定索引添加一个元素：boolean add(int index, E e)
  • 删除指定索引的元素：E remove(int index)
  • 删除某个元素：boolean remove(Object e)
  • 获取指定索引的元素：E get(int index)
  • 获取链表大小（包含元素的个数）：int size()

但是，实现List接口并非只能通过数组（即ArrayList的实现方式）来实现，另一种LinkedList通过“链表”也实现了List接口。在LinkedList中，它的内部每个元素都指向下一个元素。
我们来比较一下ArrayList和LinkedList：

ArrayList LinkedList
获取指定元素 速度很快 需要从头开始查找元素
添加元素到末尾 速度很快 速度很快
在指定位置添加/删除 需要移动元素 不需要移动元素
内存占用 少 较大

通常情况下，我们总是优先使用ArrayList。

1.List的特点

使用List时，我们要关注List接口的规范。List接口允许我们添加重复的元素，即List内部的元素可以重复。
List还允许添加null。

2.创建List

除了使用ArrayList和LinkedList，我们还可以通过List接口提供的of()方法，根据给定元素快速创建List：

  1. List<Integer> list = List.of(1, 2, 5);

但是List.of()方法不接受null值，如果传入null，会抛出NullPointerException异常。

3.遍历List

要始终坚持使用迭代器Iterator来访问List。Iterator本身也是一个对象，但它是由List的实例调用iterator()方法的时候创建的。Iterator对象知道如何遍历一个List，并且不同的List类型，返回的Iterator对象实现也是不同的，但总是具有最高的访问效率。
Iterator对象有两个方法：boolean hasNext()判断是否有下一个元素，E next()返回下一个元素。因此，使用Iterator遍历List代码如下：

  1. import java.util.Iterator;
  2. import java.util.List;
  3. public class Main {
  4.     public static void main(String[] args) {
  5.         List<String> list = List.of("apple", "pear", "banana");
  6.         for (Iterator<String> it = list.iterator(); it.hasNext(); ) {
  7.             String s = it.next();
  8.             System.out.println(s);
  9.         }
  10.     }
  11. }

觉得使用Iterator访问List的代码比使用索引更复杂。但是，要记住，通过Iterator遍历List永远是最高效的方式。并且，由于Iterator遍历是如此常用，所以，Java的for each循环本身就可以帮我们使用Iterator遍历。把上面的代码再改写如下：

  1. public class Main {
  2.     public static void main(String[] args) {
  3.         List<String> list = List.of("apple", "pear", "banana");
  4.         for (String s : list) {
  5.             System.out.println(s);
  6.         }
  7.     }
  8. }

上述代码就是我们编写遍历List的常见代码。
实际上，只要实现了Iterable接口的集合类都可以直接用for each循环来遍历，Java编译器本身并不知道如何遍历集合对象，但它会自动把for each循环变成Iterator的调用，原因就在于Iterable接口定义了一个Iterator iterator()方法，强迫集合类必须返回一个Iterator实例。

4.List和Array转换

把List变为Array有三种方法，第一种是调用toArray()方法直接返回一个Object[]数组。
第二种方式是给toArray(T[])传入一个类型相同的Array，List内部自动把元素复制到传入的Array中。
最后一种更简洁的写法是通过List接口定义的T[] toArray(IntFunction generator)方法。

3.编写equals方法

List是一种有序链表：List内部按照放入元素的先后顺序存放，并且每个元素都可以通过索引确定自己的位置。
List还提供了boolean contains(Object o)方法来判断List是否包含某个指定元素。此外，int indexOf(Object o)方法可以返回某个元素的索引，如果元素不存在，就返回-1。

1.编写equals

如何正确编写equals()方法？equals()方法要求我们必须满足以下条件：

  • 自反性（Reflexive）：对于非null的x来说，x.equals(x)必须返回true；
  • 对称性（Symmetric）：对于非null的x和y来说，如果x.equals(y)为true，则y.equals(x)也必须为true；
  • 传递性（Transitive）：对于非null的x、y和z来说，如果x.equals(y)为true，y.equals(z)也为true，那么x.equals(z)也必须为true；
  • 一致性（Consistent）：对于非null的x和y来说，只要x和y状态不变，则x.equals(y)总是一致地返回true或者false；
  • 对null的比较：即x.equals(null)永远返回false。

总结一下equals()方法的正确编写方法：

  1. 先确定实例“相等”的逻辑，即哪些字段相等，就认为实例相等；
  2. 用instanceof判断传入的待比较的Object是不是当前类型，如果是，继续比较，否则，返回false；
  3. 对引用类型用Objects.equals()比较，对基本类型直接用==比较。

使用Objects.equals()比较两个引用类型是否相等的目的是省去了判断null的麻烦。两个引用类型都是null时它们也是相等的。
如果不调用List的contains()、indexOf()这些方法，那么放入的元素就不需要实现equals()方法。

4.Map

Map是一种键-值映射表，当我们调用put(K key, V value)方法时，就把key和value做了映射并放入Map。当我们调用V get(K key)时，就可以通过key获取到对应的value。如果key不存在，则返回null。和List类似，Map也是一个接口，最常用的实现类是HashMap。
如果只是想查询某个key是否存在，可以调用boolean containsKey(K key)方法。

1.遍历Map

对Map来说，要遍历key可以使用for each循环遍历Map实例的keySet()方法返回的Set集合，它包含不重复的key的集合：

  1. public class Main {
  2.     public static void main(String[] args) {
  3.         Map<String, Integer> map = new HashMap<>();
  4.         map.put("apple", 123);
  5.         map.put("pear", 456);
  6.         map.put("banana", 789);
  7.         for (String key : map.keySet()) {
  8.             Integer value = map.get(key);
  9.             System.out.println(key + " = " + value);
  10.         }
  11.     }
  12. }

同时遍历key和value可以使用for each循环遍历Map对象的entrySet()集合，它包含每一个key-value映射：

  1. public class Main {
  2.     public static void main(String[] args) {
  3.         Map<String, Integer> map = new HashMap<>();
  4.         map.put("apple", 123);
  5.         map.put("pear", 456);
  6.         map.put("banana", 789);
  7.         for (Map.Entry<String, Integer> entry : map.entrySet()) {
  8.             String key = entry.getKey();
  9.             Integer value = entry.getValue();
  10.             System.out.println(key + " = " + value);
  11.         }
  12.     }
  13. }

Map是一种映射表，可以通过key快速查找value。
可以通过for each遍历keySet()，也可以通过for each遍历entrySet()，直接获取key-value。
最常用的一种Map实现是HashMap。

5.hashCode

要正确使用HashMap，作为key的类必须正确覆写equals()和hashCode()方法；
一个类如果覆写了equals()，就必须覆写hashCode()，并且覆写规则是：

  • 如果equals()返回true，则hashCode()返回值必须相等；
  • 如果equals()返回false，则hashCode()返回值尽量不要相等。

实现hashCode()方法可以通过Objects.hashCode()辅助方法实现。

6.EnumMap

如果Map的key是enum类型，推荐使用EnumMap，既保证速度，也不浪费空间。
使用EnumMap的时候，根据面向抽象编程的原则，应持有Map接口。

7.TreeMap

HashMap是一种以空间换时间的映射表，它的实现原理决定了内部的Key是无序的，即遍历HashMap的Key时，其顺序是不可预测的（但每个Key都会遍历一次且仅遍历一次）。
还有一种Map，它在内部会对Key进行排序，这种Map就是SortedMap。注意到SortedMap是接口，它的实现类是TreeMap。
SortedMap在遍历时严格按照Key的顺序遍历，最常用的实现类是TreeMap；
作为SortedMap的Key必须实现Comparable接口，或者传入Comparator；
要严格按照compare()规范实现比较逻辑，否则，TreeMap将不能正常工作。

8.Properties

Properties内部本质上是一个Hashtable，但我们只需要用到Properties自身关于读写配置的接口。

1.读取配置文件

用Properties读取配置文件非常简单。Java默认配置文件以.properties为扩展名，每行以key=value表示，以#课开头的是注释。以下是一个典型的配置文件：

  1. # setting.properties
  3. last_open_file=/data/hello.txt
  4. auto_save_interval=60

可以从文件系统读取这个.properties文件：

  1. String f = "setting.properties";
  2. Properties props = new Properties();
  3. props.load(new java.io.FileInputStream(f));
  5. String filepath = props.getProperty("last_open_file");
  6. String interval = props.getProperty("auto_save_interval", "120");

用Properties读取配置文件，一共有三步：

  1. 创建Properties实例；
  2. 调用load()读取文件；
  3. 调用getProperty()获取配置。

调用getProperty()获取配置时，如果key不存在，将返回null。我们还可以提供一个默认值，这样，当key不存在的时候，就返回默认值。
也可以从classpath读取.properties文件，因为load(InputStream)方法接收一个InputStream实例，表示一个字节流，它不一定是文件流，也可以是从jar包中读取的资源流：

  1. Properties props = new Properties();
  2. props.load(getClass().getResourceAsStream("/common/setting.properties"));

Java集合库提供的Properties用于读写配置文件.properties。.properties文件可以使用UTF-8编码。
可以从文件系统、classpath或其他任何地方读取.properties文件。
读写Properties时，注意仅使用getProperty()和setProperty()方法，不要调用继承而来的get()和put()等方法。

9.Set

只需要存储不重复的key，并不需要存储映射的value，那么就可以使用Set。
Set用于存储不重复的元素集合，它主要提供以下几个方法：

  • 将元素添加进Set：boolean add(E e)
  • 将元素从Set删除：boolean remove(Object e)
  • 判断是否包含元素：boolean contains(Object e)

Set实际上相当于只存储key、不存储value的Map。我们经常用Set用于去除重复元素。
因为放入Set的元素和Map的key类似，都要正确实现equals()和hashCode()方法，否则该元素无法正确地放入Set。
最常用的Set实现类是HashSet，实际上，HashSet仅仅是对HashMap的一个简单封装。
Set接口并不保证有序，而SortedSet接口则保证元素是有序的：

  • HashSet是无序的，因为它实现了Set接口，并没有实现SortedSet接口；
  • TreeSet是有序的，因为它实现了SortedSet接口。

使用TreeSet和使用TreeMap的要求一样，添加的元素必须正确实现Comparable接口，如果没有实现Comparable接口，那么创建TreeSet时必须传入一个Comparator对象。
Set用于存储不重复的元素集合：

  • 放入HashSet的元素与作为HashMap的key要求相同；
  • 放入TreeSet的元素与作为TreeMap的Key要求相同；

利用Set可以去除重复元素；
遍历SortedSet按照元素的排序顺序遍历，也可以自定义排序算法。

10.Queue

队列（Queue）是一种经常使用的集合。Queue实际上是实现了一个先进先出（FIFO：First In First Out）的有序表。它和List的区别在于，List可以在任意位置添加和删除元素，而Queue只有两个操作：

  • 把元素添加到队列末尾；
  • 从队列头部取出元素。

在Java的标准库中，队列接口Queue定义了以下几个方法：

  • int size()：获取队列长度；
  • boolean add(E)/boolean offer(E)：添加元素到队尾；
  • E remove()/E poll()：获取队首元素并从队列中删除；
  • E element()/E peek()：获取队首元素但并不从队列中删除。

对于具体的实现类，有的Queue有最大队列长度限制，有的Queue没有。注意到添加、删除和获取队列元素总是有两个方法，这是因为在添加或获取元素失败时，这两个方法的行为是不同的。我们用一个表格总结如下：

throw Exception 返回false或null
添加元素到队尾 add(E e) boolean offer(E e)
取队首元素并删除 E remove() E poll()
取队首元素但不删除 E element() E peek()

注意：不要把null添加到队列中，否则poll()方法返回null时，很难确定是取到了null元素还是队列为空。

  1. // 这是一个Queue:
  2. Queue<String> queue = new LinkedList<>();

队列Queue实现了一个先进先出（FIFO）的数据结构：

  • 通过add()/offer()方法将元素添加到队尾；
  • 通过remove()/poll()从队首获取元素并删除；
  • 通过element()/peek()从队首获取元素但不删除。

要避免把null添加到队列。

11.PriorityQueue

PriorityQueue和Queue的区别在于，它的出队顺序与元素的优先级有关，对PriorityQueue调用remove()或poll()方法，返回的总是优先级最高的元素。
要使用PriorityQueue，我们就必须给每个元素定义“优先级”。
放入PriorityQueue的元素，必须实现Comparable接口，PriorityQueue会根据元素的排序顺序决定出队的优先级。
PriorityQueue实现了一个优先队列：从队首获取元素时，总是获取优先级最高的元素。
PriorityQueue默认按元素比较的顺序排序（必须实现Comparable接口），也可以通过Comparator自定义排序算法（元素就不必实现Comparable接口）。

  1. Queue<String> q = new PriorityQueue<>();

12.Deque

双端队列（Double Ended Queue），学名Deque。
Java集合提供了接口Deque来实现一个双端队列，它的功能是：

  • 既可以添加到队尾，也可以添加到队首；
  • 既可以从队首获取，又可以从队尾获取。

我们来比较一下Queue和Deque出队和入队的方法：

Queue Deque
添加元素到队尾 add(E e) / offer(E e) addLast(E e) / offerLast(E e)
取队首元素并删除 E remove() / E poll() E removeFirst() / E pollFirst()
取队首元素但不删除 E element() / E peek() E getFirst() / E peekFirst()
添加元素到队首 无 addFirst(E e) / offerFirst(E e)
取队尾元素并删除 无 E removeLast() / E pollLast()
取队尾元素但不删除 无 E getLast() / E peekLast()

对于添加元素到队尾的操作，Queue提供了add()/offer()方法，而Deque提供了addLast()/offerLast()方法。添加元素到对首、取队尾元素的操作在Queue中不存在，在Deque中由addFirst()/removeLast()等方法提供。
注意到Deque接口实际上扩展自Queue。
使用Deque，推荐总是明确调用offerLast()/offerFirst()或者pollFirst()/pollLast()方法。

  1. // 推荐的写法：
  2. Deque<String> d2 = new LinkedList<>();
  3. d2.offerLast("z");

Deque实现了一个双端队列（Double Ended Queue），它可以：

  • 将元素添加到队尾或队首：addLast()/offerLast()/addFirst()/offerFirst()；
  • 从队首／队尾获取元素并删除：removeFirst()/pollFirst()/removeLast()/pollLast()；
  • 从队首／队尾获取元素但不删除：getFirst()/peekFirst()/getLast()/peekLast()；
  • 总是调用xxxFirst()/xxxLast()以便与Queue的方法区分开；

  • 避免把null添加到队列。

    13.Stack

    Stack只有入栈和出栈的操作：

  • 把元素压栈：push(E)；

  • 把栈顶的元素“弹出”：pop()；
  • 取栈顶元素但不弹出：peek()。

在Java中，我们用Deque可以实现Stack的功能：

  • 把元素压栈：push(E)/addFirst(E)；
  • 把栈顶的元素“弹出”：pop()/removeFirst()；
  • 取栈顶元素但不弹出：peek()/peekFirst()。

把Deque作为Stack使用时，注意只调用push()/pop()/peek()方法，不要调用addFirst()/removeFirst()/peekFirst()方法，这样代码更加清晰。

1.Stack的作用

Stack在计算机中使用非常广泛，JVM在处理Java方法调用的时候就会通过栈这种数据结构维护方法调用的层次。
JVM会创建方法调用栈，每调用一个方法时，先将参数压栈，然后执行对应的方法；当方法返回时，返回值压栈，调用方法通过出栈操作获得方法返回值。
因为方法调用栈有容量限制，嵌套调用过多会造成栈溢出，即引发StackOverflowError。
栈（Stack）是一种后进先出（LIFO）的数据结构，操作栈的元素的方法有：

  • 把元素压栈：push(E)；
  • 把栈顶的元素“弹出”：pop(E)；
  • 取栈顶元素但不弹出：peek(E)。

在Java中，我们用Deque可以实现Stack的功能，注意只调用push()/pop()/peek()方法，避免调用Deque的其他方法。
最后，不要使用遗留类Stack。

14.Iterator

Java的集合类都可以使用for each循环，List、Set和Queue会迭代每个元素，Map会迭代每个key。以List为例：

  1. List<String> list = List.of("Apple", "Orange", "Pear");
  2. for (String s : list) {
  3.     System.out.println(s);
  4. }

实际上，Java编译器并不知道如何遍历List。上述代码能够编译通过，只是因为编译器把for each循环通过Iterator改写为了普通的for循环：

  1. for (Iterator<String> it = list.iterator(); it.hasNext(); ) {
  2.      String s = it.next();
  3.      System.out.println(s);
  4. }

我们把这种通过Iterator对象遍历集合的模式称为迭代器。
使用迭代器的好处在于，调用方总是以统一的方式遍历各种集合类型，而不必关系它们内部的存储结构。
Iterator是一种抽象的数据访问模型。使用Iterator模式进行迭代的好处有：

  • 对任何集合都采用同一种访问模型；
  • 调用者对集合内部结构一无所知；
  • 集合类返回的Iterator对象知道如何迭代。

Java提供了标准的迭代器模型，即集合类实现java.util.Iterable接口，返回java.util.Iterator实例。

15.Collections

Collections是JDK提供的工具类，同样位于java.util包中。它提供了一系列静态方法，能更方便地操作各种集合。
Collections类提供了一组工具方法来方便使用集合类：

  • 创建空集合；
  • 创建单元素集合；
  • 创建不可变集合；
  • 排序／洗牌等操作。